磁性炭化谷壳对水体中砷的去除效果及机理研究

摘要

近年来，有不少利用生物炭作为一种新型的吸附材料去除各种重金属污染土壤和水体方面的研究，但针对含砷废水的生物炭去除研究还鲜有报道。本研究以谷壳为原料，通过不同温度缺氧高温热解制备出5种炭化谷壳，并通过酸、碱改性后筛选出吸附效果最好的一种炭化谷壳，将其进行磁性负载，获得另一种新型的负载纳米Fe3O4的炭化谷壳(CRH-Ⅰ)。研究CRH-Ⅰ的吸附时间、pH、添加量这三个因素对吸附的影响;通过吸附动力学、等温吸附探讨其吸附特性。同时，了解CRH-Ⅰ吸附解吸能力和针对实际含砷废水去除能力。从BET比表面积、孔径结构分析、SEM、XRD、FTIR几个方面对CRH-Ⅰ进行表征分析及机理研究。主要研究结果如下:
　　(1)通过对As(Ⅴ)吸附性能筛选结果可知，CaO改性的炭化谷壳，使得炭化谷壳得到了活化，溶液中As(Ⅴ)去除率比较高。CRHCaO600的吸附效果最佳，去除率最高达到82％。将筛选出的CRHCaO600进行磁性负载，成功合成新型炭化谷壳CRH-Ⅰ。
　　(2)吸附实验表明，刚开始吸附速率较快，随着时间推移，速率逐渐下降，8h时，CRH-Ⅰ对As(Ⅴ)吸附已几乎达到饱和状态，吸附达到平衡。相对CRHCaO600而言，CRH-Ⅰ对As(Ⅴ)的去除率明显提高。随着溶液pH值降低，CRH-Ⅰ对As(Ⅴ)的去除率逐渐升高，pH=2时的去除率高达98.3％;当pH=11时，去除率只有63.7％。CRH-Ⅰ吸附反应满足准动力学二级方程，相关系数为R2=0.999;在不同温度下，将CRH-Ⅰ对As(Ⅴ)的吸附验数据进行Langmuir方程和Freundlich等温方程拟合，结果更符合Langmuir方程;在25℃时，相关系数R2=0.985。通过吸附热力学分析表明，该吸附过程是自发进行的，且低温更有利于吸附的进行。
　　(3)通过吸附解吸实验可以得知，5次吸附解吸的去除率分别为83.2％、66.4％、65.6％、67.2％、64.0％。由此可以看出，第一次吸附解吸后CRH-Ⅰ对As(Ⅴ)的去除率仍然是很高的，从第二次以后CRH-Ⅰ对As(Ⅴ)的去除率开始降低，但是保持一个较稳定的去除率，说明CRH-Ⅰ依然具备良好的吸附性能，且再生吸附性能稳定。
　　(4)经过对比表面积进行表征分析发现，CRH-Ⅰ相较CRH600的BET比表面积增大约30％，达到182 m2·g-1，微比表面积和微孔体积都扩大了6倍左右。XRD检测结果可知，吸附过程没有新的晶体产生，CRH-Ⅰ吸附As(Ⅴ)为表面吸附。FTIR分析结果表明，相比CRH600，CRH-Ⅰ分子间的羧基和酚羟基官能团有所增加，产生了芳构化反应和脂肪醚类物质。
　　(5)通过对实际废水进行预处理和添加CRH-Ⅰ相结合的处理方法，在CRH-Ⅰ添加量为2 g、崮液比为1∶200时，出水As(Ⅲ)、As(Ⅴ)浓度分别为0.034、0.245mgL-1，都达到了国家污水综合排放标准(GB8978-1996)中所规定的要求（砷最高允许排放浓度0.5 mg·L-1）。Pb、Cd、Zn、Mn的去除率随着CRH-Ⅰ添加量的增加而逐渐上升，去除率分别为9.8％-30.7％、34.1％-55.1％、10.9％-22.8％、57.1％-66.7％。其中Pb、Cu也达到了排放标准。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 砷在水体中的性质和形态以及对人体的危害

1．1．1 砷在水体中的性质和形态

1．1．2 砷的来源和污染现状及对人体的危害

1．2 含砷废水的水处理技术

1．2．1 物化法

1．2．2 化学法

1．2．3 生物法

1．3 Fe3O4对水中砷的吸附特性及其研究应用

1．4 农林废弃物壳类物质在水处理中的应用和展望

1．4．1 壳类物质作为吸附剂在水处理中的应用

1．4．2 壳类物质应用展望

1．5 课题来源、研究目的及意义、研究内容和技术路线

1．5．1 课题来源

1．5．2 研究内容、目的及意义

1．5．3 研究内容

1．5．4 技术路线

第二章 炭化谷壳筛选及磁性负载

2．1 实验仪器与试剂

2．1．1 实验仪器

2．1．2 实验试剂

2．1．3 模拟As(Ⅴ)溶液分析方法

2．2 实验方法

2．2．1 炭化谷壳的改性及筛选

2．2．2 磁性炭化谷壳的制备

2．3 结果与分析

2．4 本章小结

第三章 磁性炭化谷壳吸附试验及吸附解吸

3．1 实验仪器与试剂

3．1．1 实验仪器

3．1．2 实验试剂

3．1．3 模拟As(Ⅴ)溶液分析方法

3．2 实验方法

3．2．1 吸附时间对吸附影响

3．2．2 初始pH对吸附的影响

3．2．3 添加量对吸附的影响

3．2．4 吸附动力学实验

3．2．5 等温吸附实验

3．2．6 吸附解吸实验

3．3 结果与分析

3．3．1 吸附时间对吸附影响

3．3．2 pH对吸附的影响

3．3．3 添加量对吸附的影响

3．3．4 吸附动力学研究

3．3．5 等温吸附

3．3．6 热力学研究

3．3．7 吸附解吸实验

3．4 本章小结

第四章 磁性炭化谷壳的表征分析及吸附机理探讨

4．1 表征分析实验仪器

4．2 结果与分析

4．2．1 SEM分析

4．2．2 BET比表面积及孔隙结构

4．2．3 XRD分析

4．2．4 FTIR分析

4．3 本章小结

第五章 磁性炭化谷壳对实际废水吸附实验研究

5．1 实验仪器与试剂

5．1．1 实验仪器

5．1．2 实验试剂

5．1．3 实验材料

5．2 实验方法

5．3 结果与分析

5．4 本章小结

第六章 结论、创新点与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

附录：攻读硕士学位期间的主要学术成果

致谢