污泥基生物炭的改性及其吸附水体中Cr(VI)的性能研究

摘要

铬是对人类构成最大威胁的17种化学品之一，Cr(Ⅵ)具有毒性和致癌性，铬污染是一个严重的威胁。本文以市政污泥为原料制得污泥基生物炭，用于处理水体中Cr。本文确定最优热解温度、改性材料与加载比例，制备高效吸附水体中重金属Cr(Ⅵ)的改性生物炭。揭示改性生物炭吸附重金属的影响因素，解析吸附-还原机理，评估重金属吸附性能。主要结论如下： （1）选择600℃为市政污泥热解制备生物炭的最佳温度。BC600有机质完全碳化，分布大量纳米级孔隙。BC600含有大量Si、C、O元素，高毒性的重金属元素含量较低。生物炭表面含有一定量官能团如-OH，C-H和C=C，芳香化程度高。 （2）nZⅥ改性的生物炭吸附效果最好，nZⅥ按Fe计为BC600质量的两倍为最优加载比。nZⅥ-BC表面存在大量不均匀絮状物，形成稳定的nZⅥ-BC复合材料，且加载的nZⅥ显著改善生物炭的比表面积。改性过程中nZⅥ与BC600表面-OH、C=C、芳香性-OH及芳香性C-H基团发生反应，形成类似于-COO-Fe-以及-C-O-Fe-的官能团，部分nZⅥ被氧化为Fe(Ⅲ)与羧基结合。制备、干燥过程中有小部分nZⅥ被氧化为氧化亚铁。 （3）改性生物炭nZⅥ-BC的不同投加剂量、初始pH值以及竞争离子均对Cr(Ⅵ)/Cr(Ⅲ)吸附有影响。nZⅥ-BC对Cr(Ⅵ)与Cr(Ⅲ)吸附均符合Langmuir方程。对Cr(Ⅲ)的吸附符合Elovich动力学模型。对Cr(Ⅵ)的吸附符合拟二级反应模型与三阶段的颗粒内扩散模型，理论饱和吸附量为24.55mg/g。nZⅥ-BC初次使用时同时存在对Cr(Ⅵ)的还原与吸附，且nZVI的还原占主导地位。经第一次使用后nZⅥ-BC丧失还原性，转变为磁性（nFe3O4-BC）复合材料。而吸附机制有静电引力，络合反应与内层配位。 （4）nZⅥ-BC固定柱吸附Cr(Ⅵ)的穿透曲线符合Thomas和Yoon-Nelson模型。流量、初始浓度影响吸附能力和动态行为。取流速为1.0mL/min，进水浓度为100mg/L时，吸附能力较高，可得到较大的吸附容量34.28mg/g与适中的穿透时间。 通过nZⅥ对污泥基生物炭进行改性，使生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附效果得到极大程度提升。nZⅥ-BC作为高效吸附剂在连续流运行模式下处理Cr(Ⅵ)污染废水具有很大的潜力，通过构建固定柱可以将Cr(Ⅵ)对环境的危害降到最小。

目录

声明

第一章 绪论

1.2水体中Cr(Ⅵ)修复技术

1.2.1化学处理技术

1.2.2生化处理技术

1.2.3电化学处理技术

1.2.4吸附处理技术

1.3生物炭的制备与吸附机理

1.3.1 生物炭的制备

1.3.2生物炭的吸附机理

1.3.3生物炭的影响因素

1.4生物炭的改性

1.4.1物理化学活化法

1.4.2粘土矿物改性法

1.4.3有机化合物改性法

1.4.4碳质材料改性法

1.4.5过渡金属改性法

1.5研究目的与意义

1.5.1研究目的

1.5.2拟解决的关键问题

1.5.3主要研究内容

1.5.4 技术路线

第二章 生物炭的制备与性质研究

2.1 材料与方法

2.1.1 生物炭的制备

2.1.2 生物炭的性质表征

2.2 热解温度对生物炭的影响

2.2.1 常规性质

2.2.2 热稳定性分析

2.3生物炭的表征

2.3.1 表面性质

2.3.2 XRD表征

2.3.3 官能团分析

2.3.4 RAMAN表征

2.3.5 金属成分分析

2.4 小结

第三章 生物炭的改性与特性研究

3.1 材料与方法

3.1.1 改性生物炭的制备

3.1.2 纳米零价铁的制备

3.1.3 改性生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附试验

3.1.4 改性生物炭的性质表征

3.2.2 不同nZⅥ加载比例改性制备生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附性能比较

3.3 改性生物炭的表征

3.3.1 表面性质与微观结构

3.3.2 官能团分析

3.4 小结

第四章 纳米零价铁改性生物炭对Cr的吸附性能与机理解析

4.1 材料与方法

4.1.1 改性生物炭对Cr(Ⅵ)/Cr(Ⅲ)的吸附试验

4.1.2改性生物炭的解吸

4.1.3 改性生物炭的性质表征

4.2 投加剂量对改性生物炭吸附Cr的影响研究

4.3 初始pH值对改性生物炭吸附Cr的影响研究

4.4 改性生物炭吸附Cr的热力学

4.5 改性生物炭吸附Cr的反应动力学

4.6 不同竞争离子对改性生物炭吸附Cr的影响研究

4.7 改性生物炭吸附Cr的机理解析

4.7.1 吸附前后XRD表征

4.7.2 吸附前后FT-IR表征

4.7.3 吸附前后RAMAN表征

4.7.4 吸附前后XPS表征

4.7.5 改性生物炭吸附Cr的机理解析

4.8 小结

第五章 纳米零价铁改性生物炭对Cr的连续流吸附研究

5.1 材料与方法

5.1.1连续流吸附固定柱

5.1.2 固定柱穿透曲线试验

5.2 连续流固定柱试验

5.3 连续流固定柱穿透曲线

5.4 小结

第六章 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文