农业废弃物改性生物炭对水中Fe2+和Mn2+去除的应用研究

摘要

我国北方为传统的老工业基地，发展工业的同时必不可少的会带来严重的污染问题，水体污染也成为了限制企业发展，妨碍国民经济的一个重要的因素。农业作为我国的重要产业，农产品及水果年产量巨大，农业废弃物的量也逐年增加，造成了资源的浪费。本文将丢弃的农业废弃物果皮作为原材料，通过改性后制成生物炭材料，用于对水中的铁锰离子的去除。　　首先将硝酸锌溶液与香蕉皮充分接触形成锌的配合物，进而与邻氨基酚和糠醛分子形成络合物，在高温限氧状态下制成具有多孔结构的生物炭吸附剂。通过扫描电镜和透射电镜的分析可以看出制备后的生物炭材料多孔结构明显，且具有类石墨烯的片层结构。这种具有超薄片层结构的生物炭存在着大量的皱纹和折叠结构，可有效地增大生物炭的比表面积，增多吸附位点。经过X射线衍射分析发现，在2θ=10°～20°及2θ=23°出现一个较宽的衍射峰，说明制备的改性生物炭材料由于大量的多孔结构和表面褶皱的存在导致石墨化和晶体化的程度不高。对于孔隙特征和比表面的分析可以看出改性农业废弃物生物炭材料的比表面积为1597m2·g-1，媲美商品级活性炭(1393 m2· g-1)远高于原始生物炭的比表面积(459 m2· g-1)。对于红外光谱的分析可以看出，羟基(O-H)的伸缩振动和胺基的(N-H)伸缩振动使得在3417 cm-1处出现一个比较明显的峰，在1611cm-1处出现中C=C，C=O键伸缩振动吸收峰，并且在1181 cm-1和1565-1700cm-1处均出现明显的峰，并且通过对比看出所制备的改性生物炭表面存在着大量的官能团，在羟基(-OH)、羧基(-COOH)、水合物(H-OH)、碳氧键(C-O)上均得到强化，增加材料的亲水性，对于吸附重金属离子起到一定的促进作用。　　将上述制备的改性生物炭放入到不同pH条件下的铁离子的溶液中进行对铁离子的吸附研究发现，吸附量子pH值为2.0～4.0之间变化比较快，吸附量分别为138.8 mg·g-1、153.2 mg·g-1和164.6 mg·g-1，其对应的去除率从68.7％上升到82.5％。当pH为6.0～8.0时吸附量为180mg·g-1、185.31 mg·g-1和187.28 mg·g-1。将改性后生物炭放入到铁离子溶液中在不同时间后对吸附效果的研究发现，在0min～73min时间内吸附铁离子的速率较快，在180min后趋于稳定，试验中最大的吸附量为185 mg·g-1，吸附率达到92.0％。通过动力学拟合发现伪一级动力学拟合结果(qe)cal、 K1、R2分别为76.56 mg·g-1、0.01290min-1和0.845，伪二级动力学拟合结果为192.31 mg·g-1、0.00034min-1和0.998，明显看出更符合伪二级动力学方程。改性生物炭放到30℃、40℃和50℃三个不同的温度下进行等温吸附研究，并进行Langmuir吸附模型和Freundlich吸附模型的拟合，Langmuir方程的拟合得到的相关系数R2都达到了0.99，Freundlich吸附模型拟合后相关系数分别为0.68、0.80、0.81，所以该过程更符合Langmuir吸附模型。经过计算得出改性生物炭在三个温度条件下的吉布斯自由能的变化值(ΔG)为-13.46、-14.33和-14.91kJ·mol-1，熵变(ΔS)为76.44J mol-1k-1，焓变(ΔH)为8.51 kJ mol-1说明该反应为吸热反应并且能够自发进行。　　改性生物炭吸附溶液中锰离子当pH为2.0去除率为41.3％，吸附量为66.05 mg·g-1，当pH达到8.0时，去除率达到65％，吸附量达到102.84 mg·g-1。将改性生物炭放入到锰离子溶液中在不同时间后对吸附效果的研究发现，前75min的吸附速率最大，当在200min后，改性生物炭对于溶液中的锰离子吸附处于缓慢阶段，通过动力学拟合发现伪一级动力学拟合结果(qe)cal、K1、R2分别为116.24 mg·g-1、0.0174 min-1和0.610 min-1，伪二级动力学拟合结果为123.64 mg·g-1、0.01847min-1和0.999，明显看出更符合伪二级动力学方程。在30℃、40℃和50℃三个不同的温度下Langmuir方程的拟合得到的相关系数好于Freundlich吸附模型。经过计算得出改性生物炭在三个温度条件下的吉布斯自由能的变化值(ΔG)为-12.048、-12.616和-13.173kJ·mol-1，熵变(ΔS)为56.19 mol-1·k-1，焓变（ΔH）为3.3 kJ·mol-1说明该反应为吸热反应并且能够自发进行。　　本文研究的改性生物炭材料是通过废弃的香蕉皮改性而来吸附性能良好，并且吸附速率较高，因此，可以利用农业废弃物改性制备的生物炭材料对水中铁锰进行去除。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 我国水资源现状及污染情况

1．2 水体中铁锰污染现状

1．2．1 铁锰存在形式

1．2．2 铁锰污染来源及污染现状

1．2．3 铁锰污染危害

1．3 铁锰去除方式

1．3．1 混凝沉淀

1．3．2 离子交换

1．3．3 吸附法

1．3．4 氧化法

1．4 生物炭的概述

1．4．1 生物炭简介

1．4．2 生物炭的制备

1．4．3 生物炭的改性

1．4．4 生物炭的应用

1．5 主要研究目的与意义

1．6 主要研究内容

1．7 技术路线

2 材料与方法

2．1 试验材料及仪器设备

2．2 改性生物炭的制备

2．2．1 生物质的预处理

2．2．2 制备步骤

2．3 铁锰储备液配置及标准曲线的制作

2．4 改性生物炭的表征

2．4．1 扫描电镜分析

2．4．2 透射电镜分析

2．4．3 X射线衍射分析

2．4．4 比表面积及子L径分布分析

2．4．5 红外光谱分析

2．5 吸附试验

2．5．1 溶液pH对吸附效果影响

2．5．2 接触时间对吸附效果影响

2．5．3 吸附动力学研究

2．5．4 等温吸附研究

2．5．5 热力学研究

2．6 论文中涉及的公式

3 结果与分析

3．1 改性生物炭的表征

3．1．1 改性生物炭的扫描电镜分析

3．1．2 改性生物炭的透射电镜分析

3．1．4 改性生物炭的比表面积及孔径分布分析

3．1．5 改性生物炭的红外光谱分析

3．2 铁(Fe2+)的吸附试验研究

3．2．1 溶液pH值对吸附性能的影响

3．2．2 吸附时间对吸附性能的影响

3．2．3 吸附动力学

3．2．4 等温吸附特征

3．2．5 吸附热力学特性

3．3 锰(Mn2+)的吸附试验研究

3．3．1 溶液pH对吸附效果的影响

3．3．2 反应时间对吸附效果的影响

3．3．3 吸附动力学

3．3．4 等温吸附特征

3．3．5 吸附热力学特性

4 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文