生物炭复合金属氧化物的制备及其去除水中重金属的机制研究

摘要

重金属污染已严重危害生态平衡和人类生存，本文制备了负载 Fe3O4、MnFe2O4和MnO2的生物炭吸附剂，采用SEM、XRD、BET和FITR分析吸附剂的结构特征，吸附实验研究复合吸附剂吸附去除水中重金属离子的性能，动力学、热力学过程探讨复合吸附剂对重金属铜的吸附机制。 （1）以松树枝为生物炭来源，采用水热方法与Fe3O4和壳聚糖复合，制备磁性复合吸附剂，并将其用于水中 Cu(II)的吸附去除。结果发现复合吸附剂可有效去除Cu(II)，反应1.5小时后可达到吸附平衡，其最大平衡吸附量为74.83 mg·g-1。对其吸附机理研究表明，Cu(II)在复合磁性吸附剂表面的吸附过程包括表面扩散、颗粒内部扩散和吸附平衡扩散三个阶段，其动力学可采用准二级反应拟合，吸附等温线符合Langmuir模型。对其反应热力学研究表明Cu(II)在复合磁性生物炭表面的吸附主要为物理吸附。 （2）以水热生物炭、FeCl3?6H2O、MnCl2?4H2O 为原料，NaOH 提供碱性条件，水热合成MnFe2O4/生物炭吸附剂并将其用于废水中重金属离子Cu(II)的去除。MnFe2O4/生物炭磁性复合吸附剂对 Cu(II)的吸附过程符合准二级动力学和Langmuir吸附等温线模型，低浓度的吸附速率仅由膜扩散控制，高浓度的吸附速率由膜扩散和内扩散过程共同控制，最大平衡吸附量为44.00 mg?g-1。热力学分析表明：吸附活化能Ea=26.99 kJ?mol-1，△G＜0，△H=3.08 kJ?mol-1＞0，Cu(II)在 MnFe2O4/生物炭磁性复合吸附剂上的吸附是自发进行的物理吸热吸附过程。 （3）以生物炭为主体，MnCl2?4H2O溶液为水相，无水乙醇为有机相，采用水相-有机相两相法制备MnO2/生物炭复合吸附剂。吸附性能研究表明MnO2/生物炭磁性复合吸附剂对 Cu(II)有较好的吸附性能，75mg?L-1溶液的最终去除率可达95.4%。MnO2/生物炭复合吸附剂对Cu(II)的吸附过程符合准二级动力学和Langmuir吸附等温线模型，最大平衡吸附量为83.9 mg?g-1；吸附活化能Ea=84.36kJ?mol-1，△G＜0，△H =39.06kJ?mol-1＞0，表明Cu(II)在MnO2/生物炭复合吸附剂上的吸附是自发吸热的化学吸附过程，特定的化学相互作用是Cu(II)吸附过程的主要机制。

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