电场作用下重金属Cu(Ⅱ)在生物炭上的吸附和解吸

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近年来,我国重金属离子污染日益严重,其中铜离子的污染较为普遍。Cu(Ⅱ)在人体内超过一定限度后会导致肝腹水、肝硬化、严重者会导致肝肾坏死。传统去除重金属离子的方法有化学沉淀法、离子交换法、膜分离和吸附法等。其中吸附法由于成本低、操作简单、无二次污染等成为了目前常用的方法。但是常规的吸附过程中吸附剂难从污染液中分离,吸附剂再生需要大量的化学药剂,对于地下水处理的适用性非常有限。电化学吸附法结合了电吸附和化学吸附的优势。具有能耗较低、成本低、处理高效、无二次污染、易于再生等优势,在处理重金属废水方面具有广泛的应用前景。本文以玉米秸秆为原料,采用了限氧热解法制备了不同温度的热解生物炭(BC300、BC500和BC700),将其制成电极应用于电化学吸附法去除重金属Cu(Ⅱ)的研究。用元素分析、BET、FT-IR、Zeta电位和XRD等技术表征了不同热解温度生物炭基本的理化性质。探究了电压、p H、生物炭用量、生物炭热解温度、离子强度对电化学吸附Cu(Ⅱ)的影响;初步分析了生物炭电化学吸附Cu(Ⅱ)机理。考察了电极材料、电压和电解质溶液对Cu(Ⅱ)脱附的影响,利用自由基淬灭实验和缓冲溶液体系对影响Cu(Ⅱ)脱附的主要因素进行了探索;并对电脱附后生物炭的性质变化进行了研究,初步分析了电脱附机理。对生物炭进行氨基改性,探究了影响氨基改性生物炭电化学吸附Cu(Ⅱ)及脱附的因素。论文研究得到以下主要结论:(1)分析了生物炭的基本理化性质。结果表明,随着生物炭热解温度升高,生物炭材料的孔隙结构越发达,比表面积变大,芳香性增强,亲水性降低,含氧官能团减少,Zeta电位绝对值变小,生物炭的导电性增强。(2)研究了电化学吸附Cu(Ⅱ)的的影响因素及电化学吸附机理。结果表明,电压在0-1.2 V,溶液p H在2-5,生物炭对Cu(Ⅱ)的吸附量随电压、Cu(Ⅱ)溶液浓度及p H值的升高而增大。相同条件下,BC500对Cu(Ⅱ)的电化学吸附效果最好。在Cu(Ⅱ)浓度100 mg/L、电压1.2 V、p H=5、生物炭质量为70 mg、吸附5 h的情况下,BC500对Cu(Ⅱ)的吸附量为22.5 mg/g,吸附容量是不施加电压情况下的2倍。表明电化学吸附法具有较高的吸附效率,在低电压(1.2 V)下即可实现对水中Cu(Ⅱ)有效去除。BC300和BC500对Cu(Ⅱ)吸附动力学更符合准二级动力学模型,BC700对Cu(Ⅱ)吸附动力学更符合准一级动力学模型。这三种生物炭对Cu(Ⅱ)的等温吸附更符合Langmuir等温吸附模型。生物炭对Cu(Ⅱ)的电化学吸附机理有:1)电吸附;2)阳离子交换;3)含氧官能团络合;4)化学沉淀;5)电化学还原。(3)探究了电脱附影响因素、脱附机理和生物炭性质变化。结果表明,Cu(Ⅱ)在生物炭表面的化学吸附占比越大,在较低的电压下越难脱附下来。以0.1 mol/L KNO3为脱附电解质,Cu(Ⅱ)在BC300表面上需要5 V电压才能基本完全脱附;在BC500和BC700表面上仅需3 V电压就基本完全脱附。阳极水电解产生的H+的释放对Cu(Ⅱ)的脱附起到积极的作用。电脱附机理包括:1)电场排斥;2)电化学氧化;3)水分解产生的H+与重金属的离子交换。电脱附过程中生物炭会被阳极正电位电直接氧化和羟基自由基间接氧化,使生物炭的羟基和羧基含量增多。(4)为了进一步提高吸附性能,对生物炭进行氨基改性。结果表明,在1.2 V电压下、p H为5、Cu(Ⅱ)的初始浓度为100 mg/L、吸附5 h后,BC500-NH2对Cu(Ⅱ)的吸附量为42 mg/g,是未改性BC500的1.9倍,是不施加电压情况下的2.3倍。BC500-NH2对Cu(Ⅱ)吸附动力学更符合准二级动力学模型,等温吸附更符合Langmuir吸附模型。以0.1 mol/L KNO3为脱附电解质,5 V电压脱附4 h可以将96.5%的Cu(Ⅱ)脱附下来。
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