铁锰氧化物-生物炭复合材料对水中Cr(Ⅵ)的吸附性能研究

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铬主要是以Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)形式存在,其中Cr(Ⅵ)具有剧毒性、难以被生物降解且易发生食物链富集。含铬废水若处理不当,会给环境系统和人体健康带来不良影响。由于操作简单、成本低和效率高,吸附法被认为是处理废水中Cr(Ⅵ)的首选方法。玉米秸秆经热解得到的生物炭是一种很好的吸附材料,其优点为结构疏松多孔、含氧官能团丰富、成本低和适应性广等。但是,生物炭吸附水中Cr(Ⅵ)的效果受自身理化性质及表面特性等因素的影响。因此,可借助改性技术优化生物炭的理化性质和表面特性,以提高其对水中Cr(Ⅵ)的吸附效果。本文在综述含铬废水的治理现状和生物炭的性质、改性修饰技术及其处理废水中Cr(Ⅵ)的基础上,主要做了以下研究:1、利用铁锰氧化物修饰生物炭,制备了铁锰氧化物-生物炭复合材料(F1M3BC400)。其制备条件通过单因素实验优化为:改性剂的铁锰质量配比m(Fe):m(Mn)=1:3,热解温度为400℃。2、对比未改性生物炭(BC400)与改性生物炭(F1M3BC400)的吸附性能,当T=30℃,Cr(Ⅵ)初始浓度为800 mg·L-1,初始p H=2,投加量=2 g·L-1,吸附24 h时,对Cr(Ⅵ)的最大吸附量由59.23 mg·g-1上升至118.03 mg·g-1。此外,F1M3BC400经6次吸附解吸循环后,对Cr(Ⅵ)的去除率相比最初的91.79%有所降低,但仍能保持较高水平达到60.76%,说明F1M3BC400在吸附饱和后可经0.5 mol·L-1的Na OH溶液解吸以再利用。3、采用比表面积与孔径(BET)、扫描电镜(SEM)、红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)等技术对材料进行表征,结果表明:改性后,生物炭的比表面积从4.87m2·g-1提升到15.23 m2·g-1,官能团-COOH和-OH也得到了加强;F1M3BC400样品表面附着有Fe2O3和Mn O2颗粒,能提供更多吸附位点;F1M3BC400的p Hpzc=8.3,故溶液呈酸性或弱碱性时,利于F1M3BC400吸附Cr(Ⅵ)。这说明引入铁锰氧化物改善了生物炭的性能。4、通过响应曲面法得到最优反应条件:当溶液p H=1.66、Cr(Ⅵ)初始浓度为57.05mg?L-1、吸附剂投加量为2.36 g?L-1时,实际去除率为94.28%。5、准二级动力学模型能较好地拟合F1M3BC400对Cr(Ⅵ)的吸附过程,表明化学吸附是整个吸附反应的限速步骤。Langmuir模型能较好地拟合F1M3BC400对Cr(Ⅵ)的吸附过程,表明F1M3BC400对Cr(Ⅵ)为单层吸附。热力学研究表明,F1M3BC400吸附Cr(Ⅵ)是自发进行的吸热反应。6、通过综合研究分析,结果表明F1M3BC400去除水中Cr(Ⅵ)主要通过静电吸引、还原作用及Cr(Ⅲ)与羟基和羧基的络合反应。
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