固定化改性制备活性炭及其吸附处理电镀废水研究

来源 :重庆工商大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hegangcd2
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活性炭具有较好的孔隙率和比表面积,兼具物理、化学吸附双重特性且价廉,常作为环境污染治理的“青霉素”,广泛应用于环保、食品、医疗、化学化工、农业等多种领域。活性炭吸附能力取决于孔隙结构、表面化学性质以及吸附容量;普通活性炭因吸附容量有限,影响其市场售价和应用。因此,活性炭改性制备成为高性能活性炭研究及生产热点。本文以紫苏梗残渣为原料,采用原位FeOx掺杂法,结合海藻酸钠,加工制得固定化改性生物质基活性炭(FeOx/AC)SA,并应用处理电镀废水,为生物质资源化利用及废水治理提供理论支撑及应用价值。为制备获得高性能活性炭,本文采用原位FeOx掺杂法,以吸附处理Cr6+为探针,考察反应体系p H值、焙烧时间、焙烧温度和FeOx掺杂量等因素,运用均匀设计法优化获得活性炭改性制备适宜参数,并利用海藻酸钠,固定化加工获得高性能生物质基活性炭(FeOx/AC)SA。为解析制备活性炭吸附性能,采用Boehm滴定法,分析检测(FeOx/AC)SA表面含氧官能团;采用FT-IR、SEM、BET、XRD、TG和VSM等现代分析技术表征制备活性炭物相结构。为探明制备活性炭对Cr6+和NH4+的吸附机理,开展吸附动力学、热力学和内扩散模型研究,进一步获得制备活性炭吸附容量、吸附速率等物理参数,解析获得Cr6+和NH4+的吸附、扩散行为。为实现(FeOx/AC)SA吸附处理工况废水应用,以电镀废水为对象,开展制备活性炭对废水中Cr6+、Cu2+、Ni2+、Cd2+、NH4+等吸附性能,揭示制备活性炭竞争吸附工况废水中复杂金属离子的处理能效;通过酸碱调控,实现吸附后活性炭的重金属离子洗脱再生。研究结果表明:(1)均匀设计法优化活性炭FeOx/AC的适宜制备参数为:反应体系p H值为5,焙烧时间为3.0 h,焙烧温度为400℃,Fe掺杂摩尔量为0.0003 mol,4.0 g紫苏梗残渣可制得0.62 g生物制基改性活性炭FeOx/AC;按制备活性炭质量(g)与质量浓度为1.00%的海藻酸钠液体积(m L)比为1:20,固定化加工制得固体状活性炭(FeOx/AC)SA,吸附处理初始质量浓度为10 mg·L-1的含Cr6+溶液,Cr6+去除率达88.69%,是未掺杂FeOx活性炭的1.4倍。(2)XRD分析图谱显示(FeOx/AC)SA出现明显的Fe3O4特征衍射峰;BET分析可得(FeOx/AC)SA表面积为270.10 m~2·g-1、孔容为0.16 cm~3·g-1、孔径为2.37nm;Boehm滴定结果显示,固化加工所得(FeOx/AC)SA表面含有的RCOOH基团为2.05 mmol·g-1、RCOOCOR’为0.18 mmol·g-1、Ar OH含量为1.84 mmol·g-1;FT-IR检测结果显示,表明固定化加工过程未改变(FeOx/AC)SA表面原有的官能团;SEM图显示(FeOx/AC)SA表面呈现不规则多孔结构;VSM分析可见(FeOx/AC)SA闭合的磁滞回线,计算可得饱和磁化强度为13.71 emu·g-1,表明具有一定的磁学性能;热重分析发现固定化制备可适当提升活性炭热稳定性。(3)(FeOx/AC)SA对Cr6+和NH4+的吸附性能表明:酸性条件下(p H值=3),反应体系温度为65℃、0.50 g(FeOx/AC)SA吸附处理初始质量浓度为10 mg·L-1的Cr6+5.0 h后,Cr6+去除率为98.50%;碱性条件下(p H值=9),反应体系温度为65℃、0.50 g(FeOx/AC)SA吸附处理初始质量浓度为300 mg·L-1的NH4+5 h后,NH4+去除率为94.37%;对Cr6+和NH4+吸附效果均高于FeOx/AC和未掺杂FeOx活性炭,说明固定化FeOx掺杂改性可提升活性炭吸附性能。(4)(FeOx/AC)SA吸附过程机理表明:经Langmuir模型拟合显示线性相关性R~2均大于0.99,表明(FeOx/AC)SA对Cr6+和NH4+的吸附均是均一的单分子层吸附;Freundlich拟合结果显示2≤n(Cr6+)=5.650≤10,2≤n(NH4+)=3.175≤10,表明吸附易于发生;动力学分析显示以化学吸附为主,符合准二级动力学方程,对Cr6+的吸附速率常数为0.0600 L·min-1、吸附容量分别为2.576 mg·g-1,对NH4+的吸附速率常数为0.0091 L·min-1、吸附容量为57.440 mg·g-1;热力学分析显示(FeOx/AC)SA对Cr6+和NH4+的吸附为自发的吸热过程;颗粒内扩散模型拟合得Cr6+和NH4+的速率常数Kt为0.125 mg·(min0.5·g)-1和2.803 mg·(min0.5·g)-1。(5)(FeOx/AC)SA吸附处理电镀废水表明:(FeOx/AC)SA去除电镀废水中Cr6+的适宜工艺为:(FeOx/AC)SA投加量为0.50 g,处理时间为4.5 h,体系温度为70℃,Cr6+去除率达95.35%;在适宜工艺条件下Cr6+、NH4+、Cd2+、Ni2+和Cu2+的去除率分别为83.90%、94.20%、86.40%、54.30%、72.20%,分别是市售活性炭的1.16倍、1.04倍、2.25倍、1.65倍、3.61倍;酸碱调控洗脱处理(FeOx/AC)SA的适宜酸碱度为p H值=11,洗脱后(FeOx/AC)SA吸附Cr6+、Cd2+、Ni2+、Cu2+去除率分别可达67.35%、55.89%、43.29%、50.15%,实现(FeOx/AC)SA再生使用。
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