铁锰氧化物-生物炭复合材料对重金属吸附性能研究

发布时间：2020-06-07 22:29

【摘要】：重金属对人类健康和环境构成了严重威胁,急需寻找一种有效的方法将其去除。生物炭是一种“绿色”和低成本的多孔吸附材料,近年来,由于其特有的元素组成、表面理化特性和孔隙结构在水体重金属去除领域受到广泛关注。然而生物炭在重金属废水处理方面的应用仍然存在吸附效能不足、不易回收和循环利用等局限性。针对这些问题,利用铁锰氧化物对茶叶渣生物炭进行修饰以制备铁锰氧化物-生物炭复合材料,并开展其对水体中重金属吸附去除的强化效果和作用机制的研究。通过产率、材料配比和热解终温等初步探索复合材料的最佳制备条件,借助多种表征分析手段,探究制备的炭材料的结构特性及相应的机制。结果表明:0.5为最佳铁锰修饰比;热解终温的升高导致生物炭的孔隙结构发生改变,亲水性能下降,芳香性增强,无机矿物含量增加,表面酸性功能基团减少。铁锰修饰在生物炭表面引入了Fe-O及Mn-O特征官能团,铁锰颗粒的沉积导致复合材料的XRD峰强下降。研究同时考察了环境因子、去除时间等参数的影响,并对比活性炭的去除效果,结合动力学和热力学模型,揭示了复合材料用于强化水体单一重金属去除的应用潜力及作用机制。结果表明:pH为5和投加剂量为1.5 g/L为最佳条件;相比于原始生物炭,复合材料对单一Pb~(2+)和Cd~(2+)均表现出较好的去除效果,BC300Fe_1Mn_2对Cu~(2+)的去除率也显著提高。动力学拟合表明BC300Fe_1Mn_2对单一Pb~(2+)、Cd~(2+)和Zn~(2+)吸附过程主要包括化学键及共用电子的作用,而对单一Cu~(2+)的吸附则更符合简单的扩散和静电作用;热力学拟合结果表明BC300Fe_1Mn_2对单一Pb~(2+),Cu~(2+),Cd~(2+)和Zn~(2+)的吸附去除过程为均相表面吸附过程。通过探究BC300Fe_1Mn_2对混合重金属的去除效果及应用条件,其他金属离子对复合材料去除重金属效果的影响及相应的机制,初步探索将BC300Fe_1Mn_2用于铅锌冶炼模拟废水处理的可行性。结果表明:混合重金属状态下pH的增大更有利于铅离子的去除。其他金属离子存在时,BC300Fe_1Mn_2对Pb~(2+)的吸附量随Pb~(2+)浓度的增大而增大,而以Cu~(2+)、Cd~(2+)、Zn~(2+)为主要研究对象时,BC300Fe_1Mn_2对Cu~(2+)、Cd~(2+)、Zn~(2+)的吸附量先增加后略微减少又增大。经BC300Fe_1Mn_2的处理,模拟铅锌行业排放的含重金属酸性废水的Pb~(2+)、Cu~(2+)浓度及pH值均可达到排放标准,Cd~(2+)基本达到排放标准。
【图文】：

技术路线图,课题研究

本课题研究技术路线图

生物炭,铁锰,产率,原材料

图 3-1 不同铁锰比修饰的原材料在不同温度下制得的生物炭产率图 3-1 可知，经铁锰修饰后的原材料制得的生物炭产率随温度的变化要小于未经修饰的原材料制得的生物炭产率，而且当铁锰摩尔量之比时，产率基本趋于平缓，不再呈现显著变化；同一铁锰比例修饰的生裂解终温增大时，相应地制得的生物炭复合材料的产率随着温度的升，其中未经铁锰修饰的生物炭产率随温度变化差值最大，而当铁锰量.2 时，生物炭产率随温度变化的差值最小，当铁锰量之比大于 0.5 时率随温度变化基本相同；而同一热解温度下，生物炭的产率随着铁锰增加而增加，最后趋向平衡，，其中三个热解终温下产率分别趋于，300℃；500℃：45.56%；700℃：40.82%。此综合考虑生物炭产率及制备材料的生产成本，并结合参考文献，本铁和锰的量之比为 0.5（即 FeCl3与 KMnO4的混合溶液的浓度比为 0/0.10 mol/L）对生物炭进行改性修饰，相对应的复合材料分别Fe1Mn2，BC500CFe1Mn2，BC700Fe1Mn2。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703;O647.3

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