茶叶及其四氧化三铁茶复合物吸附铅、铜和亚甲基蓝的性能研究

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本文研究了茶叶、茶渣、磁性纳米四氧化三铁(Fe3O4MNPs)、Fe3O4-茶复合物对Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)的吸附性能和Fe3O4-茶复合物、Fe3O4-茶多酚复合物(Fe3O4@GTP NPs)对亚甲基蓝(MB)的吸附性能。采用FTIR、SEM、TG和XPS等方法对制备的吸附剂进行表征,利用静态吸附试验,考察不同时间、不同PH值、不同吸附剂投加量、不同初始浓度、和不同温度等条件下,Fe3O4-茶复合物或Fe3O4@GTP NPs处理重金属Cu(II)、Pb(II)和MB的吸附性能,并建立吸附热力学及吸附动力学模型。结果如下,(1)从SEM图可以看出,Fe3O4MNPs易于团聚,分散性差的特点。通过茶渣的修饰形成Fe3O4-茶复合物,茶多酚修饰形成的Fe3O4@GTP NPs之后,不但让纳米粒子之间的团聚效果大大减少,还让结合之后的物质更加的均匀稳定,以达到更好的吸附效果;XPS表明,Fe3O4MNPs、Fe3O4-茶复合物、Fe3O4@GTP NPs谱中有很多Fe 2p峰,可见一个孪生的Fe 2p峰,这两个峰的结合能表明形成一个Fe3O4而非Fe2O3;FTIR出现的3个新的特征谱带,说明茶渣已成功修饰于Fe3O4MNPs表面;TG表明,用化学共沉淀法制备的Fe3O4-茶复合物含74.95%左右的茶渣。(2)在不同时间下,Fe3O4-茶复合物对Pb(Ⅱ)的吸附性能最优,Fe3O4@GTP NPs对MB的吸附性能最优。(3)相同初始浓度下,五种材料吸附量随吸附剂投加量的增大而增大,吸附率也随着吸附剂投加量的增大而增大,当继续投加吸附剂,单位质量吸附剂的吸附量减少,而吸附率也在逐渐降低,吸附率趋于饱和状态。(4)茶叶、茶渣、Fe3O4MNPs、Fe3O4-茶复合物对Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)的吸附性能和Fe3O4-茶复合物、Fe3O4@GTP NPs对MB的吸附性能受pH的影响较大,吸附率总体上随着pH的升高而升高,当pH继续升高,吸附率会逐渐降低;(5)在连续4个循环后,茶渣对Pb(Ⅱ)吸附率从90.89%降至75.51%,Cu(Ⅱ)吸附率从64.77%降至50.28%,Fe3O4-茶复合物对Pb(Ⅱ)吸附率从94.52%降至82.12%,对Cu(Ⅱ)吸附率从84.90%降至70.51%,说明茶渣、Fe3O4-茶复合物可以很有效的与溶液中的铅铜离子结合,作用力不是很强,易被洗脱,循环再生的能力很强;在连续3个循环后,Fe3O4-茶复合、Fe3O4@GTP NPs的吸附率都不到40%,这说明Fe3O4-茶复合、Fe3O4@GTP NPs和MB的结合紧密,作用力较强,不易被洗脱。虽然两种吸附材料的重复利用效率有限,但也说明Fe3O4-茶复合、Fe3O4@GTP NPs作为吸附剂,与亚甲基蓝的结合较为稳定,不容易造成二次污染。(6)通过Langmuir和Freundlich模型对吸附等温过程进行拟合,Freundlich模型的线性拟合度(R2)比Langmuir模型的拟合度要差,说明茶渣、Fe3O4-茶复合吸附Cu(II)、Pb(II)的过程更加符合Langmuir模型,通过Langmuir模型,表明茶渣、Fe3O4-茶复合物对Pb(II)的吸附性较好,对Cu(II)的吸附性较差;Fe3O4@GTP NPs对MB的吸附等温过程符合Langmuir和Freundlich两种模型,说明吸附过程容易进行,吸附性也较好。(7)与拟一级动力学模型相比,拟二级动力学模型可以更好的拟合吸附过程,其相关系数R2超过0.999,茶叶、茶渣、Fe3O4MNPs、Fe3O4-茶复合物对Cu(II)、Pb(II)的吸附,Fe3O4-茶复合物、Fe3O4@GTP NPs对MB的吸附都更符合拟二级吸附速率方程。(8)采用单因素实验和响应曲面法建立模型,研究用Fe3O4@GTP NPs处理MB污染的可行性,发现Fe3O4@GTP NPs吸附MB的最优吸附参数为MB初始浓度17.76mg/L、pH=12、吸附剂用量0.07g、吸附时间65.24min,该条件下MB的吸附率为99.99%。
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