基于废白土的炭材料制备及其去除水中Pb(Ⅱ)的研究

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近年来,水体重金属污染已成为国内外亟待解决的环境问题,吸附法是有效处理方法,新型吸附材料的开发已成为本领域的研究热点。废白土(SBE)是植物油在精炼过程中产生的含有油脂的固体废弃物,处置不当会发生自燃,甚至引发二次污染。本研究以废白土再利用为出发点,在缺氧条件下,通过高温热解处理,将SBE上残余油脂碳化,制备废白土炭基吸附材料(SBE@C),用于去除水中典型重金属离子Pb(Ⅱ)。在此基础上,进一步优化材料性能,在其表面负载纳米零价铁(n ZVI),制备纳米零价铁负载的废白土炭(nZVI-SBE@C)。本研究系统考察了SBE@C和nZVI-SBE@C两种材料对水中Pb(Ⅱ)离子的去除特性和相关影响因素,对材料形貌、组成及表面官能团特性等进行表征,推测反应机制。本研究的主要内容包括:(1)考察热解温度对SBE@C吸附Pb(Ⅱ)的影响,在700 oC下热解制备的SBE@C具有最大的吸附容量(达到51.37 mg/g)。直接采用SBE吸附Pb(Ⅱ),吸附容量较低且会引起有机物的二次污染。吸附动力学研究表明,伪二级动力学模型能够更好地拟合SBE吸附Pb(Ⅱ)的动力学过程;Elovich模型能够更好地拟合SBE@C的吸附动力学过程。吸附等温线实验结果显示,Langmuir等温线模型均能够很好的拟合SBE与SBE@C对Pb(Ⅱ)的等温吸附过程(R2>0.959),表明Pb(Ⅱ)在SBE和SBE@C上的吸附可归为单分子层吸附,最大吸附容量Q0分别为33.13 mg/g(SBE)和63.30 mg/g(SBE@C)。考察离子强度和各共存离子的影响,离子强度的增大会抑制对Pb(Ⅱ)的吸附,共存阳离子的抑制作用顺序为:Na++2+2+3+3+。随着溶液初始pH值从2.20增加至5.75,SBE@C对Pb(Ⅱ)的吸附容量从11.46 mg/g增加至61.49 mg/g。对热解、吸附前后的材料进行SEM、BET、FTIR、XRD和XPS表征分析,结果表明,高温热解的方法使SBE表面残油被碳化,增大了比表面积和孔体积,从而提升吸附容量。SBE@C吸附Pb(Ⅱ)的机理主要包括:表面吸附、静电吸引、离子交换和表面络合。SBE@C再生四次后仍具有25.23 mg/g的吸附容量,预计再生9次后失去吸附能力。(2)利用液相还原法制备纳米零价铁负载的SBE@C(n ZVI-SBE@C),考察C/Fe质量比对材料吸附Pb(Ⅱ)的影响,当C/Fe质量比为1:2时,nZVI-SBE@C对Pb(Ⅱ)具有最大的去除容量(182.29 mg/g),是SBE@C吸附容量的4倍。Langmuir等温线模型比Freundlich更好地描述SBE@C和n ZVI-SBE@C的对Pb(Ⅱ)等温吸附过程(R2>0.99)。nZVI-SBE@C的最大吸附容量达到223.52 mg/g,是SBE@C的3.78倍。吸附动力学实验结果表明,nZVI-SBE@C对Pb(Ⅱ)的动力学过程可以采用伪二阶动力学模型拟合。考察溶液含氧状态对Pb(Ⅱ)去除的影响,向溶液中持续通入N2和空气,去除率分别达到95.37%和42.37%,高于空白对照组的24.44%。nZVI-SBE@C对Pb(Ⅱ)的去除能力随着溶液Na+离子强度的增大而增强。共存阳离子Na+、K+和Mg2+,对n ZVI-SBE@C去除Pb(Ⅱ)的促进顺序为:Na+>K+>Mg2+,而Cu2+、Al3+和Fe3+对nZVI-SBE@C去除Pb(Ⅱ)的抑制顺序为:Cu2+3+3+。nZVI-SBE@C对Pb(Ⅱ)的去除能力随初始p H值的增大而增强。对吸附前后的材料进行SEM、BET、FTIR、XRD、XPS和VSM表征分析,结果表明,nZVI-SBE@C去除Pb(Ⅱ)的机理可能包括表面吸附、静电吸引、离子交换、表面络合和nZVI还原作用。
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