改性生物炭对几种金属离子的吸附及机理研究

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作者：

周振扬

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摘要：

水污染是世界范围内的一个主要环境问题.水环境中的有害重金属会对人类健康和生物造成不利影响,且持续低浓度的重金属的危害性不容小觑.近年来,生物炭在水污染修复方面表现出较大的潜力,引起了国内外学者们的广泛关注.生物炭是生物质在低氧或无氧环境下热解的产物,其特殊的表面结构可以为金属提供吸附位点.此外,生物炭还可以包含微小的二氧化硅,碳酸钙,方解石和钾盐矿物颗粒,可通过静电反应和离子交换来促进金属离子的吸附.本文以常见的松木屑等松木余料为原材料制备生物炭,对比传统改性和经济环保改性方法的效果,探究生物炭对溶液中重金属及微量元素吸附特性,并结合FTIR,XRD,SEM,XPS等表征结果,研究生物炭的结构特性与吸附能力之间的关系,探讨生物炭对溶液中金属元素的吸附机理.主要研究内容如下:(1)利用H2O2,KMnO4和Mn(CH3COO)2·4H2O对松木生物炭(PW)进行改性,通过吸附实验和表征探究其对Pb2+的去除能力和去除机理,并定量分析各种吸附机制(官能团络合,矿物沉淀,离子交换和π电子配键作用)的贡献率.实验结果表明PW-H2O2,PW-Mn,PW-MnC对溶液中Pb2+的吸附量分别是原始生物炭的6,8.5,7.9倍,其中表面络合对吸附的贡献率分别为36.8%,31.6%,16.8%,8.9%.两种锰改性生物炭的比表面积显著提高,其表面形成了MnO2.阳离子交换对吸附的贡献率占PW-Mn,PW-MnC吸附Pb的74.6%,87.5%.该研究表明PW-MnC是一种性能优异的材料,能有效去除工业废水中的重金属Pb.(2)利用尿素和硫脲对松木生物炭进行改性,通过吸附实验和表征研究其对Cu2+,Cd2+和Pb2+的吸附性能和混合金属溶液(Pb2+,Cd2+和Cu2+)中重金属离子的去除效果,探究三种金属离子的竞争吸附规律.实验结果表明改性使生物炭增加了-NH2,C-S基团,并能够分解生物炭表面的不溶性晶体,从而扩大生物炭的比表面积.相比于Pb2+或Cd2+,硫脲改性使生物炭的表面吸附位点能更有效的吸附Cu2+.多金属体系中,竞争吸附的吸附顺序为:Pb2+Cu2+Cd2+,表明改性生物炭在多金属体系中对Cd2+的去除具有更显著的酸碱度效应.(3)利用KOH和CH3COOK对松木生物炭进行改性,探究了其对溶液中Pb2+的吸附效果和不同pH条件下单金属和多金属体系中的吸附规律,并结合表征分析,研究其吸附机理.结果表明,PW-CHK和PW-KOH对Pb2+的吸附量分别达到了 23.1 mg/g和15.67mg/g,分别是原始生物炭吸附量的7倍和5倍.PW-CHK的比表面积增加了 3.5倍,并显示出更多的表面官能团(以羧酸盐官能团为主).以PW-CHK为吸附剂探究了生物炭对微量元素Fe2+,Mn2+,Cu2+,Zn2+的吸附规律.和PW相比,PW-CHK对Fe2+,Mn2+,Cu2+,Zn2+的吸附量都有不同程度的增加,尤其是Cu2+,增加了 20倍.酸碱度实验表明,PW-CHK对Pb2+和Cu2+有很强的选择性吸附.Freundlich吸附等温线和准二级动力学方程能够很好地拟合吸附过程,表明PW-CHK对Pb2+,Fe2+,Mn2+,Cu2+,Zn2+的吸附主要受化学吸附控制.此外,碳酸盐矿物沉淀以及与官能团的络合也是PW-CHK吸附溶液中Pb2+及Fe2+,Mn2+,Cu2+,Zn2+的重要机理.

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学位级别：

硕士