牡蛎壳生物炭吸附剂去除阴离子染料的性能和机制

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如今,随着人口的不断增长和工业的不断发展,全球环境问题日益突出,这些环境问题已成为发展中国家生态环境的巨大威胁。发展中国家工业化起步较晚,经济发展水平较低,很容易导致人们更加关注眼前利益,对长远利益重视不够。环境是一个与我们生活息息相关的重要因素,它会以有利或不利的方式影响人类的生活质量。因此,防治污染及保护环境的重要性日益突出。
  染料是来源于纺织、造纸、以及石油等行业的重要污染物。从废水中去除染料是一项具有挑战性的工作,因为它们大多是有机合成化合物,往往具有复杂的芳香族分子结构,在结构上不易化学降解,同时也难以生物降解,导致其处理难度大,处理成本高。
  目前,用于去除废水中染料的方法主要有吸附法、生物法和湿式空气氧化法,其中吸附法处理速度快,效率高,是较为合适的技术。活性炭是污水处理中应用较为广泛的吸附剂,然而其制作和再生的高成本都不利于其大规模的商业化使用。因此,开发来源广、易获得的吸附剂具有重大的研究意义和商业利用价值。本研究利用生活中容易获得的牡蛎壳制作了低成本的吸附剂,并探究了此吸附剂处理染料废水的可行性。实验中探究了牡蛎壳生物炭吸附剂(oyster shell-based biochar adsorbent, OSB)吸附酸性绿25(acid green 25, AG25)的最佳吸附剂投加量和反应pH;此外,还研究了OSB的吸附动力学,并通过傅里叶变换红外光谱仪(FTIR),扫描电子显微镜(SEM)和物理化学吸附仪(BET)对吸附剂进行表征。实验的主要结论如下:
  (1)牡蛎壳于高温条件下煅烧后得到牡蛎壳生物炭(OSB)吸附剂。SEM结果表明制备的OSB吸附剂呈球形,表面粗糙;BET表明进一步表明与原来的牡蛎壳相比,OSB吸附剂的比表面积从1.9增高至到25.4m2g-1。FTIR结果检测到C=O官能团的存在,表明CO32-是OBS吸附剂表面的作用官能团之一。
  (2)OSB吸附剂对AG25的去除性能取决于吸附剂用量、pH值、吸附温度、接触时间和初始浓度。AG25达到吸附平衡所需的时间约为360min,且其吸附反应的最佳条件如下:吸附剂用量为2.0gL-1,pH为11,初始浓度为70mgL-1吸附温度为40℃。
  (3)吸附动力学实验结果表明:OSB吸附剂对AG25的吸附过程符合Ho-McKay或拟二级动力学模型,且两种模型的R2都大于0.99。
  (4)等温吸附实验结果表明,OSB吸附剂对AG25的吸附过程吸附符合Langmuir模型,且R2>0.99;在温度为288.15,293.15,303.15和315.15K下,OSB对AG25的最大吸附容量分别是:28.1,29.2,33.1和34.1mgg-1。
  (5)吸附热力学实验结果表明:在288-313K的吸附范围内,OSB对AG25的吸附过程的吉布斯自由能ΔG°为-2.46KJ--4.54KJmol-1,这表明该过程是自发的和可行的。吸附过程的焓值ΔH°为22.45KJmol-1,表明吸附过程是吸热的。熵值ΔS°也为正值(58.32 Jmol-1 K-1)表明AG25吸附在OSB上时溶液-固体界面杂乱性增加。
  (6)稳定性实验结果表明OSB吸附剂具有良好的循环使用性能。使用三次后,OSB吸附剂对AG25的去除率保持在90%以上,且此效率在第五次重复实验中降低至70%。OSB吸附剂制作材料来源广泛,成本低廉,且其去除AG25染料的效率优良,循环使用能力良好,是一种环保、低成本的高效吸附剂,具有潜在的商业利用价值。
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