磁改性生物炭对水中重金属Ni(Ⅱ)与Cr(Ⅵ)的单一及竞争吸附性能研究

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本研究对农林废弃物核桃壳经过处理与磁改性后的材料PBNC在溶液中对Ni(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)重金属离子进行吸附探究,分析其本身理化性质与对重金属离子的吸附机理,同时通过扫描电镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)、傅立叶红外光谱(FTIR)、比表面积与孔隙分析(BET)及X-射线光电子能谱(XPS)等表征手段对吸附材料在吸附前后的基本性质进行分析;探讨了PBNC对Ni(Ⅱ)与Cr(Ⅵ)竞争吸附的关系,探究吸附材料对不同种类金属的亲和性与吸附能力,利用表征方法探究PBNC对不同金属离子的吸附机理,主要的研究内容如下:(1)选用农业副产物核桃壳作为原料,进行高温热解成生物炭后,进行壳聚糖(CTS)接枝改性与纳米零价铁改性修饰,制备改性生物炭复合材料(PBNC),表征结果表明改性生物炭材料PBNC富有磁性且官能团丰富。CTS和Fe的晶体成功地在PBNC的峰图案中表达,具有高结晶度和明显的峰表达,反映了PBNC优异的化学稳定性。通过对制备两种材料PBNC与BN的吸附结果分析,得出PBNC对Ni(Ⅱ)与Cr(Ⅵ)的去除率均高于BN,表明改性有利于吸附;(2)PBNC对Ni(Ⅱ)的最佳吸附条件:在温度条件为298 K,混合溶液的p H为5.0、吸附材料加入量为0.4 g/L、金属离子的初始浓度为50 mg/L震荡吸附3 h时平衡吸附量为110.86 mg/g,吸附率可达93.05%;对Cr(Ⅵ)的最佳吸附条件:在温度条件为298 K,混合溶液的p H为2.0、吸附材料加入量为1.2 g/L、金属离子的初始浓度为50 mg/L震荡吸附2.5 h时,平衡吸附量为106.25 mg/g,吸附率可达90.03%;(3)PBNC对Ni(Ⅱ)与Cr(Ⅵ)的吸附过程均符合准二级反应动力学和Langmuir等温吸附模型,即PBNC对Ni(Ⅱ)与Cr(Ⅵ)的吸附发生在均匀表面的单层吸附,且为化学吸附;(4)PBNC对在两种Ni(Ⅱ)与Cr(Ⅵ)共存的竞争吸附过程中,显示出强烈的选择性吸附,顺序为Cr(Ⅵ)>Ni(Ⅱ),主要的原因是和重金属离子本身的特性,如柔软度、缔合金属氢氧化物的稳定常数、水合半径、水解常数和电负性有关。PBNC对两种金属离子Ni(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)的Kd值(分别为5.43×10~4和2.04×10~5 m L/g),说明PBNC对Cr(Ⅵ)具有更高的吸附选择性,表明PBNC对具有强氧化性的金属离子有高亲和力和选择性。(5)初步探究了PBNC对不同性质的重金属离子共存下主要吸附机理,在溶液中重金属离子首先经过强还原性的纳米零价铁的化学反应而变为微粒化合态,随后通过与羟基、羧基和氨基的内球络合物进行表面络合。更重要的是,通过分析发现了PBNC对Cr(Ⅵ)的吸附机理,是通过还原反应将Cr(Ⅵ)还原,生成Cr(Ⅲ)一部分与官能团反应络合,另一部分发生表面沉淀作用。因此,PBNC材料对Cr(Ⅵ)的吸附方式可为后续相关对Cr(Ⅵ)的降解研究提供参考。(6)探讨了PBNC对重金属离子的解吸性能,结果表明PBNC可以作为一种很有潜力的吸附材料,可以便捷高效的实现对工业废水中重金属离子的吸附回收。
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