改性活性炭高效去除废水中Cr(Ⅵ)的研究

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电镀、冶金、制革和纺织印染等行业排出的大量含铬废水对生态环境造成了严重污染,并直接或间接地对人体健康造成危害。在重金属离子废水的处理方法中,吸附法由于适应范围广、处理效果好、吸附剂可再生等优点而被广泛应用。其中活性炭是应用最广泛的吸附剂之一,但常规方法所得活性炭对废水中的Cr(Ⅵ)处理效果并不理想。针对以上现象,本文以玉米秸秆为原料,通过铁盐辅助活化及炭表面季铵基团接枝两种工艺制备改性活性炭,并将其用于吸附处理含铬废水。通过静态吸附实验考察改性活性炭对模拟废水中Cr(Ⅵ)的吸附性能,并结合多种表征手段对其去除机理进行探讨。主要研究内容及结果如下:(1)铁盐辅助磷酸活化制备改性活性炭。通过添加不同浓度梯度的Fe(NO3)3辅助磷酸活化制备改性活性炭AC1-5。表征实验结果表明,铁盐的添加可以提高活性炭的得率及比表面积,并阻碍活性炭表面酸性官能团的生成。吸附实验结果表明,强酸条件下(pH=2.0时),五种活性炭对Cr(Ⅵ)吸附性能最强,随着pH的升高逐渐降低,吸附平衡时间为720 min;相较于其他模型,五种活性炭的吸附行为更符合伪二级动力学模型及Freundlich模型;Langmuir模拟结果显示,五种活性炭对Cr(Ⅵ)的最大吸附量依次为:AC3(30.412 mg/g)> AC2(27.473 mg/g)> AC4(26.596 mg/g)> AC1(14.096 mg/g)> AC5(13.573 mg/g)。(2)季铵基团接枝改性活性炭。采用3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵铵化反应(制得AC-T)及三乙胺接枝合成反应(制得AC-E)两种方法制备铵化改性活性炭。两种合成样品表征结果表明,两种改性方法均成功将季铵基团接枝到了活性炭表面,AC-E的得率(411.06%)要远大于AC-T(98.11%)。吸附实验结果表明,AC-T对Cr(Ⅵ)的吸附需要12 h达到平衡,AC-E则在30 min内即可完成;在实际应用方面,AC-E能够适应很宽范围的pH变化,在pH=2-10的范围内均可达到最大吸附量,更适于应对不同酸碱度的工业废水及天然水体;Langmuir方程数值模拟表明AC-E的吸附容量(112.36 mg/g)为AC-T(26.25 mg/g)的4倍,三乙胺接枝反应活性炭具有更好的经济效益。结合表征及吸附实验结果综合分析可知,AC-T具有孔隙填充及静电吸引两种吸附过程,其表面上的铵基被石墨层所覆盖无法充分暴露在炭表面;而AC-E的吸附则主要依靠静电吸引,同时由于接枝结构的原因其上的季铵基基团可以充分暴露在炭表面,这使得AC-E具有更优异的吸附效果。(3)改性活性炭脱附再生实验。实验所选4种脱附剂对活性炭AC-T、AC-E均起到了再生效果,其再生效率顺序依次为:HCl>NaCl>NaOH>H2O;在所有再生实验中,使用HCl对AC-E进行5次吸-脱附循环后,再生效率仍能达到86.93%,这显示出AC-E较好的再生潜力。本研究使用玉米秸秆通过活化和接枝两种方法制备出了优质的改性活性炭,提高了活性炭对废水中Cr(Ⅵ)的选择吸附性,扩宽了活性炭的应用范围,对深度研究活性炭的应用具有一定的参考价值。
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