豆渣基多孔炭材料的制备及其在水处理中的应用

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随着社会工业的不断发展,环境污染问题日益严峻,严重影响着人类的生产与生活环境。另一方面,多孔炭是治理水污染的常用吸附剂,因其具有高的比表面积和优良的吸附性能等优点而倍受关注。本文立足于多孔炭材料的制备及其在水处理当中的应用。为了在有效处理水污染的同时,大幅度降低水处理剂的成本,使用天然高分子废弃物为原材料,采用简单的方法制备性能优良的吸附剂。即:选用资源丰富而且廉价的天然高分子豆渣为碳前驱体,制备具有高比表面积以及高吸附性能的多级孔炭材料,并将其应用于模拟染料废水和重金属离子废水的处理当中。论文的主要内容包括如下几部分:首先,从三种不同孔径的多孔炭材料出发,介绍了其不同的制备方法(主要有活化法、软硬模板法等)、特点以及作为吸附材料在重金属离子废水、染料废水和其它废水中的应用研究进展。第二,以新鲜豆渣为原料,经过预处理后得到干豆渣(SHR),以干豆渣为碳前驱体采用一步活化炭化法制备了多级孔炭材料(SPC-K7)。采用红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)、比表面积(BET)以及透射电镜(TEM)等对SPC-K7的结构、微观形态进行了表征和分析,并探讨了反应过程中的成孔机理。结果表明:所制备的炭材料是一种多级孔的生物炭材料,其孔径分布在1mm,300 nm和1.4 nm左右。第三,研究了多级孔炭材料SPC-K7对染料(亚甲基蓝、碱性品红)的吸附性能。考察了被吸附溶液的初始浓度、吸附剂用量、吸附时间、pH值以及温度对吸附效果的影响,并对其吸附等温模型和动力学进行了研究。结果表明:SPC-K7对300 mg/L MB的去除率可达97.71%,处理后废水可达标排放。SPC-K7对MB的吸附符合Langmuir等温模型,吸附动力学符合准二级动力学模型。SPC-K7对100 mg/L BF的去除率高达98.00%,吸附等温线同时符合Langmuir及Frendlich等温模型,吸附动力学符合准二级动力学模型。SPC-K7对吸附MB和BF的pH和温度适用范围都较宽。第四,研究了多级孔炭材料SPC-K7对废水中重金属离子(Pb2+、Cu2+)的吸附性能。考察被吸附溶液的初始浓度、吸附剂用量、吸附时间、pH值以及温度等因素对重金属离子吸附的影响。并通过动力学、吸附等温模型探讨其吸附机理。结果表明:多孔炭吸附剂对Pb2+的吸附能力很好。在25℃,[Pb2+]起始=100 mg/L,SPC-K7用量0.05 g,吸附时间30 min时,SPC-K7对Pb2+的去除率可达97.78%。通过对吸附等温模型和动力学模型拟合,发现SPC-K7对Pb2+的吸附符合Freundlich等温模型和准二级动力学模型,说明SPC-K7对Pb2+的吸附属于非均相多分子层吸附,并以化学吸附为主。SPC-K7对Cu2+的吸附结果表明:在25℃,[Cu2+]起始=100 mg/L,SPC-K7用量0.05 g,吸附时间30 min时,Cu2+的去除率可达97.63%。通过对其吸附等温模型和动力学模型拟合,SPC-K7对Cu2+的吸附符合Freundlich等温模型和准二级动力学模型,说明SPC-K7对Cu2+的吸附不是单一的单层吸附,SPC-K7表面并不均一,在不同吸附中心吸附能力不同,并以化学吸附为主。总之,本文以天然高分子豆渣为原材料(碳前驱体),经过一步活化炭化法制备了豆渣基多级孔炭材料。制备的多级孔炭材料是以天然高分子废弃物为原料,其制备方法简单,多级孔炭材料具有比表面积高、吸附性能好的特点,是一种有效的治理废水污染的廉价吸附剂。
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