磁性生物吸附剂的合成及其对Cr(Ⅵ)的吸附研究

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六价铬生物毒性大、可迁移性强,引发了严重的水体污染,磁性生物吸附技术是实现含Cr(Ⅵ)废水高效净化的新型技术。然而,常见的磁性生物吸附剂结构不稳定、吸附效率不高等缺点限制了其对酸性含Cr(Ⅵ)废水的实际应用。本文以梧桐叶生物质作为原料,分别通过化学交联法、溶剂热法制备了具有稳定空间结构的新型核壳结构磁性生物吸附剂(MB-FS)和磁性生物吸附剂(MB)。此外,通过控制活化条件得到了片层多孔生物炭(PC800),并在此基础上依靠溶剂热法合成磁性片层多孔生物炭MPC800。考察了三类磁性生物吸附剂对Cr(Ⅵ)的吸附行为及吸附机理。主要研究内容如下:1、酰胺交联法制备核壳粒子修饰的磁性生物吸附剂及其对Cr(Ⅵ)的吸附通过酰胺交联的方式将磁性Fe3O4@SiO2-NH2粒子负载在梧桐叶生物炭表面制备了Fe3O4@SiO2-NH2核壳结构粒子修饰的磁性生物吸附剂(MB-FS),FSEM、FTEM及XRD测试结果表明Fe3O4@SiO2-NH2粒子均匀负载在羧基化生物炭(CBC)表面上。等温吸附实验证明MB-FS对Cr(Ⅵ)的吸附过程遵循Redlich-Peterson模型(R2=0.98),Cr(Ⅵ)最大吸附容量为27.17 mg/g。依靠XPS和吸附实验分析了MB-FS的吸附机理,结果表明Cr(Ⅵ)在酸性环境下先被MB-FS表面官能团还原为Cr(Ⅲ),还原形成的Cr(Ⅲ)再被Fe3O4@SiO2-NH2粒子表面氨基螯合去除。吸附/解吸实验结果表明,MB-FS具有良好的循环稳定性,经过6次循环解吸后,MB-FS对Cr(Ⅵ)的吸附容量仍然维持在85%以上,在pH=1.0的强酸性环境下MB-FS的Fe溶出浓度低于0.25 mg/L。2、溶剂热法一步合成磁性生物吸附剂及其对Cr(Ⅵ)的吸附针对酰胺交联法合成过程复杂,产率低的问题,以梧桐叶生物炭为炭源,通过溶剂热法一步合成了新型磁性生物吸附剂(MB),通过XRD、FTIR、GC-MS实验结果综合分析了溶剂热法合成MB的合成机理。通过参数优化实验研究了前驱体Fe3+浓度及炭掺量对MB吸附Cr(Ⅵ)的影响,结果发现Fe3+浓度和炭掺量对MB表面磁性粒子的中位粒径和负载密度有影响,当Fe3+浓度为1.47 mmol/L,炭掺量为1.0时MB具有最大比表面积和最优Cr(Ⅵ)吸附性能。通过吸附实验研究了MB对Cr(Ⅵ)的吸附特性和吸附机理,实验结果表明MB对Cr(Ⅵ)的最大吸附容量可达56.76 mg/g,在pH=2.0的酸性环境下Fe溶出浓度约为10.4 mg/L。XPS、FTIR测试结果表明Cr(Ⅵ)在酸性环境下先被还原为Cr(Ⅲ),还原形成的Cr(Ⅲ)再与Fe3O4反应形成铁-铬化合物从而被去除。3、磁性片层多孔生物吸附剂的合成及其对Cr(Ⅵ)的快速吸附针对MB-FS和MB吸附速率过慢,吸附容量不高的问题,以梧桐落叶作为生物吸附材料,通过控制活化剂种类和活化温度制备了不同孔径分布的多孔生物炭,依靠SEM、BET分析了生物炭的孔隙结构,通过吸附实验研究了不同生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附速率和吸附容量,结果发现800-850 oC时以KHCO3活化制备的片层多孔生物炭PC800对Cr(Ⅵ)具备快速吸附效果(准二级动力学吸附速率常数Ks>0.04 g/(mg·min)),分析认为PC800表面大孔及片层状孔壁有利于克服Cr(Ⅵ)吸附过程中的液膜阻力,而适当比例的介孔结构能够降低内扩散阻力。进一步低,通过溶剂热法在其表面负载磁性Fe3O4颗粒从而合成了磁性多孔生物吸附剂MPC800,结果发现MPC800对酸性高浓度Cr(Ⅵ)具备快速吸附和快速分离的效果.5次循环利用后,MPC800对Cr(Ⅵ)的饱和吸附容量(饱和吸附容量qe=231.48 mg/g)仍然维持在80%以上,具备良好的循环吸附性能。本文的研究成果为含Cr(Ⅵ)废水的高效处理和新型磁性生物吸附剂的制备提供了新的思路。
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