吸附苯胺与亚甲基蓝的废菌渣活性炭电化学再生机理研究

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活性炭(Activated Carbon,AC)具备高比表面积、丰富的孔隙结构、多样的表面化学基团等特点,作为使用最为广泛的吸附剂被大量应用于水处理工艺中。目前水处理AC的制备原料主要是煤炭和石油等材料,成本较高,限制了我国AC的应用。食用菌业产生的废菌渣(Mushroom Residue,MR),具备疏松多孔、成本低廉等特点,是生产生物质AC的优秀前体之一。使用MR制备废菌渣活性炭(MRAC)既可实现农业废弃物MR的资源化利用,又能降低AC的生产成本。使用AC处理废水的过程中,随着处理时间的增加,AC的吸附能力会达到饱和,丧失吸附能力。饱和AC若处理不当,会对环境造成二次污染,如果直接丢弃会造成资源浪费。通过再生恢复AC的吸附能力是处理饱和AC的有效方式,使用电化学再生AC,具备炭损耗低、再生率高、环境友好等优点,是目前AC再生领域的研究热点。本研究以水中常见的苯胺和亚甲基蓝(Methylene blue,MB)有机污染物为目标,采用吸附等温线、动力学和热力学实验研究MRAC的吸附性能。在此基础上对吸附苯胺和MB饱和的MRAC进行电化学再生,通过单因素实验探究电流强度、电解质种类和浓度、再生时间、p H对于再生的影响,通过正交实验和响应面实验确定最佳再生条件,利用FT-IR、BET、SEM表征,猝灭实验和TOC分析探究MRAC的吸附机理和再生机理。主要研究结果如下:1、以农业废弃物MR为原料,利用ZnCl2活化法制备MRAC。向100 mg/L苯胺溶液中加入5 g/L MRAC,吸附量为80.43 mg/g;向100 mg/L MB溶液中加入1 g/L MRAC,吸附量为92.27 mg/g。吸附苯胺和MB的过程更加符合拟二级动力学模型;吸附等温线符合Langmuir等温模型,不同温度下RL值在0~1之间,表明吸附为有利吸附;热力学实验表明苯胺和MB的吸附过程都是自发的吸热反应,且为物理吸附和化学吸附的协同进行;颗粒内扩散模型表明MRAC的吸附过程受到外部膜扩散和颗粒内扩散的共同作用。2、电化学再生吸附苯胺饱和的MRAC,综合考虑能耗和再生效果后,最佳再生条件为:在p H值为5,电流强度300 m A,电解质Na Cl浓度为15 g/L条件下加入0.5 g饱和MRAC,再生1.5 h,再生率高达98.43%,在6次吸附-再生循环后,再生率仍达87.53%,没有明显下降。表征结果表明:电化学再生后MRAC表面以羟基为代表的活性基团得到恢复,比表面积由902.70 m~2/g增加为986.83 m~2/g,平均孔径增大,孔容增加。吸附过程中苯胺主要通过氢键和分子间作用力吸附在MRAC表面,再生过程中通过电流的电脱附作用和次氯酸根、羟基自由基等氧化基团的氧化作用将MRAC表面的苯胺去除,使MRAC恢复物理吸附和化学吸附能力。3、电化学再生吸附MB饱和的MRAC,通过响应面实验确定最佳的再生条件:电流强度为300 m A,电解时间2 h,电解质Na2SO4浓度10 g/L,p H为8.4的条件下,再生率高达98.43%,并在6次循环再生后,MRAC的再生率仍可达84.36%,吸附能力没有明显降低。表征分析显示:电化学再生后MRAC表面以羟基为代表的活性基团得到恢复,吸附MB产生的酯基消失,比表面积由902.70 m~2/g增加为908.57 m~2/g,平均孔径增大,孔容增加。吸附过程中MB主要通过π-π键、氢键和分子间作用吸附在MRAC表面,再生过程中通过电流的电脱附作用和羟基自由基等氧化基团的氧化作用将MRAC表面的苯胺去除,使MRAC得到再生。
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