Fe改性紫茎泽兰生物炭对水体中Cr(Ⅵ)的吸附研究

摘要

水体重金属污染威胁人类健康及生态环境。众多的水体重金属污染物中，铬(Cr)因其致毒性、高致癌性而备受关注。Cr主要来源于金属加工、电镀等生产行业废水，其存在形式主要有Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)，其中Cr(Ⅵ)可溶性更大、毒性更强。对于水体中重金属去除而言，生物炭吸附被认为是一种操作简便、成本低廉的方法。目前寻找高效低成本的吸附重金属污染物的生物炭材料是生物炭重金属吸附技术的关注焦点问题之一。本研究选取入侵植物——紫茎泽兰作为生物炭原料，制备不同热解温度(300℃、400℃、500℃、600℃)紫茎泽兰生物炭(C-BC)。考察紫茎泽兰生物炭理化性质(微观结构(SEM)、晶态结构(XRD)、元素分析、全磷等），评估其应用潜力。其次，对紫茎泽兰进行Fe(Ⅲ)改性，制备Fe改性紫茎泽兰生物炭(FeC-BC)。依托时间、温度、pH单因素批式吸附实验，考察改性紫茎泽兰生物炭对水溶液中的重金属Cr(Ⅵ)吸附效果。利用吸附动力学模型、吸附热力学模型拟合吸附结果，探究吸附机理。此外，采用共存离子干扰实验和解吸实验，考察Fe改性紫茎泽兰生物炭的吸附能力变化及重复利用性。研究为水体中Cr(Ⅵ)去除提供一种高效低成本的生物炭吸附材料。通过本研究，获得的主要研究结果如下:
　　(1)C-BC的pH和灰分随热解温度升高而升高，产率逐渐降低。不同热解温度下的C-BC均含有大量的孔隙结构。C-BC的碘吸附值均大于200mg/g，C-BC400碘吸附值(381.99mg/g)最大。C-BC的C含量随热解温度升高而增加，H、N、O含量随热解温度升高而降低。随着热解温度上升，C-BC的芳香性、稳定性逐渐增强，极性逐渐减弱。C-BC的全Ca、全Mg、全K、全P的含量分别是17790.08-29750.08、3230.92-5211.75、31661.67-49553.33、3469.08-5453.75mg·kg-1，并且各含量随热解温度的升高而逐渐增加。可溶性Ca2+、Mg2+、PO43-、NO3-、NH4+含量随热解温度升高逐渐降低。可溶性K+随热解温度的升高逐渐增大，最大值为26293.33mg·kg-1。总体上，C-BC含有一定的营养元素，其中K元素尤为丰富。XRD光谱分析显示C-BC主要矿物成分包括钾盐、白云石、石英、二磷酸镁。红外光谱分析表明C-BC表面含有O-H、-COOH、C=O等官能团，但总体上C-BC表面羧基官能团随热解温度升高逐渐减少。此外，随热解温度升高，吸收峰1121cm-1(极性C-O)峰强逐渐降低以及873cm-1(芳香族C-H)的峰强逐渐增强，印证了C-BC极性逐渐降低、芳香性逐渐增强的结果。
　　(2)Fe(Ⅲ)改性紫茎泽兰生物炭条件实验结果表明，最终选择的改性条件为:改性温度55℃，改性时间12h，液固比10，Fe(Ⅲ)溶液浓度1mol/L。
　　(3)时间因素下FeC-BC对水体中Cr(Ⅵ)吸附在0.5h达25.52mg/g，此时吸附量已高于C-BC的36h吸附量(23.95mg/g)，说明Fe改性紫茎泽兰生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附效果要好于紫茎泽兰生物炭。FeC-BC对Cr(Ⅵ)吸附满足准二级动力学模型，吸附过程的限速步骤为化学过程。pH因素下pH=2时，FeC-BC对水体中Cr(Ⅵ)的吸附量和吸附率最大，其值分别为46.09mg/g和92.18％。温度因素下C-BC对Cr(Ⅵ)的吸附结果满足Langmuir模型，FeC-BC对Cr(Ⅵ)的吸附结果满足Freundlich模型。该结果说明Fe改性改变了紫茎泽兰生物炭的吸附过程。Fe改性紫茎泽兰生物炭对水体中Cr(Ⅵ)的最大吸附量达70.40mg/g，其值是C-BC的1.77倍。随温度上升，FeC-BC、C-BC的ΔGo均逐渐减少，且ΔGo＜0，其ΔHo值、ΔSo值均为正值，说明改性前后的生物炭吸附Cr(Ⅵ)均为自发、吸热反应。分析吸附前后的FeC-BC的红外光谱图可知，FeC-BC表面O-H、C-H在吸附过程中与Cr(Ⅵ)发生了离子交换。此外，C=O、酚酸官能团(C-O)、COOH、脂肪族醚类（-O-）等均参与了吸附反应。共存阴离子实验显示NO3-、Cl-、SO42-与Cr(Ⅵ)发生了竞争吸附，从而导致FeC-BC对Cr(Ⅵ)吸附率降低。三种共存阴离子对FeC-BC吸附Cr(Ⅵ)影响程度为:Cl-＜NO3-＜SO42-。FeC-BC吸附-解吸四次后，仍然维持较高的吸附率(63％)，表明FeC-BC具有较强的稳定性与重复利用性。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1水体中重金属的污染及其治理

1．1．1水体中重金属的污染概况

1．1．2水体中重金属去除技术

1．2生物炭的概念及其吸附研究

1．2．1生物炭概念

1．2．2生物炭吸附水体中重金属研究现状

1．2．3改性生物炭吸附水体中重金属研究现状

1．3紫茎泽兰概况及其利用

1．3．1紫茎泽兰概况

1．3．2紫茎泽兰资源化利用

1．4论文研究目的、内容及技术路线

1．4．1研究目的

1．4．2研究内容

1．4．3研究技术路线

第二章材料与方法

2．1不同热解温度下紫茎泽兰生物炭制备及其理化性质测定

2．1．1原料概况

2．1．2主要试剂及仪器

2．1．3紫茎泽兰生物炭的制备

2．1．4紫茎泽兰生物炭的物理性质

2．1．5紫茎泽兰生物炭的化学性质

2．2 Fe改性紫茎泽兰生物炭制备

2．2．1主要原料

2．2．2主要试剂及仪器

2．2．3实验方法

2．2．4改性条件的确定

2．2．5制备Fe改性紫茎泽兰生物炭

2．3．1主要原料

2．3．2实验试剂及仪器

2．3．3实验测定方法

2．3．4时间因素及吸附动力学实验

2．3．5 pH因素

2．3．6吸附热力学实验

2．3．7吸附前后红外光谱测定

2．3．8共存离子干扰实验

2．3．9解吸实验

2．3．10数据处理

第三章不同热解温度紫茎泽兰生物炭物理化学性质

3．1产率、灰分和pH

3．2碘吸附

3．3扫描电镜分析

3．4元素分析

3．5 X-射线衍射光谱分析

3．6红外光谱分析

3．7本章小结

第四章Fe改性紫茎泽兰生物炭对水体中Cr(Ⅵ)的吸附

4．1改性条件的确定

4．2吸附动力学实验

4．2．1时间因素下的Cr(Ⅵ)吸附变化

4．2．2吸附动力学

4．3溶液pH的影响

4．4吸附热力学实验

4．5吸附前后红外光谱分析

4．6共存离子干扰实验

4．7吸附剂解吸实验

4．8本章小结

第五章结论

5．1主要研究成果

5．2创新点

5．3研究展望

参考文献

致谢

作者简历