铁改性的钠基蒙脱土和钠基凹凸棒土对四环素的吸附及微波再生

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四环素排放到环境中对生态环境带来潜在危害。吸附法成本低且处理效果好,可应用于四环素的去除。在吸附剂中,蒙脱土和凹凸棒土是分布广泛的天然粘土矿物吸附材料,两者阳离子交换量大、具有较大的比表面积。然而,由于粘土矿物层间表面的亲水性,其对疏水有机化合物的吸附能力受到限制。将天然矿物进行铁改性可使得材料与四环素发生络合反应,进而提高吸附剂的吸附效能,实现有机污染物的高效吸附,但吸附饱和了有机污染物的吸附剂通常被直接丢弃,对环境造成二次污染,如将其进行再生,可提高其重复利用性,避免对环境的危害。通过微波辐照,改性材料中极性物质(如水分子、有机物分子、铁离子等)可吸收微波能量,增加材料内热点的产生,使得吸附的有机污染物被去除,进而恢复其吸附性能,实现铁改性材料的再生。本研究采用离子交换法将阳离子交换量较大的钠基蒙脱土和钠基凹凸棒土进行铁改性,探究不同铁离子改性程度、吸附剂投加量、吸附时间、四环素初始浓度和吸附温度对四环素吸附效果的影响。并建立吸附动力学模型、吸附等温线模型和吸附热力学曲线,进一步探究四环素吸附过程的作用机理。结果表明,铁离子改性钠基蒙脱土(Fe-MT-0.45)和铁离子改性钠基凹凸棒土(Fe-AT-1.50)在1.0 g/L的投加量下吸附30.0 min,两种材料对35.0 mg/L的四环素的吸附程度达到最大,且铁改性钠基蒙脱土对四环素的吸附效果优于铁改性钠基凹凸棒土;两种改性材料对四环素的吸附均符合准二级动力学模型,表明吸附过程以化学吸附为主;铁改性钠基蒙脱土对四环素的吸附分为两个阶段,铁改性钠基凹凸棒土对四环素的吸附分为三个阶段;铁改性材料对四环素的吸附为多层吸附且是自发的过程。另外,本研究将吸附饱和四环素的铁改性钠基蒙脱土和铁改性钠基凹凸棒土进行微波再生,讨论铁离子改性程度、微波辐照时间、微波功率、不同污染物和不同再生方式对再生率的影响。并将吸附剂进行5次连续的再生实验,探究其重复利用性。同时,采用XRD、SEM、EDS、FT-IR和BET对改性及微波再生前后的吸附剂进行表征,探究上述过程是否对吸附材料的结构造成影响。结果显示,铁改性钠基蒙脱土及铁改性钠基凹凸棒土经微波再生后,对四环素的吸附能力得到恢复。经800 W的微波辐照再生5.0 min后,铁改性钠基蒙脱土(Fe-MT-0.50)的再生效果优于铁改性钠基凹凸棒土(Fe-AT-1.50),微波再生率分别为99.31%和94.12%;铁改性钠基蒙脱土在微波再生5次循环利用后的再生率高于铁改性钠基凹凸棒土;对于吸附有诺氟沙星(NFX),吖啶橙(AO)和结晶紫(CV)染料的铁改性材料,微波再生技术对其再生率均在90.0%以上;与传统的热再生及碱再生技术相比,微波再生技术对铁改性材料的再生效果较为优异。XRD和SEM结果表明,铁离子改性使得吸附材料边缘卷曲;经微波再生后的吸附材料与再生前相比,微观结构并未有明显变化。EDS分析表明,铁离子与钠离子实现了离子交换。FTIR分析表明四环素分子被有效去除,且经铁改性、四环素吸附和微波再生后的样品官能团没有明显改变,表明上述过程未破坏吸附材料的基本结构。BET分析表明,经过铁改性及微波再生过程,材料仍保持介孔结构。
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