生物炭—纳米二氧化锰复合材料的制备及其对水体铜镉的去除性能与机制

发布时间：2020-07-09 14:19

【摘要】：人类活动如矿产的开采与加工、施肥、废水灌溉等加剧了重金属如镉、铜等进入水体、土壤环境的速度,已超出了环境的承受能力,引发了一系列的生态环境问题。重金属污染具有广泛性、隐蔽性、持久性、易富积、难降解等特点,可对生态系统结构和功能产生负效应,并能够通过食物链在动植物体内积累,危害生物和人类的健康。因此,如何降低减轻水体环境中重金属(如铜、镉)的危害,已成为当前的研究热点和难点。吸附法是较为方便实用的水体中污染物去除方法,其核心是高吸附性能、高去除效率的吸附材料的筛选。锰氧化物/碳基复合材料因其吸附性能优越和易分离再生等优点而受到广泛的关注。本研究在深入了解生物炭碳基功能材料对重金属铜、镉吸附机制基础上,探讨了固定床对重金属铜、镉的去除效率和影响因素,进一步揭示了生物炭-纳米二氧化锰复合材料去除水体中重金属铜、镉的本质,主要研究结果如下:1.采用浸渍沉淀法,成功制备出新型有效的低成本吸附材料-生物炭-纳米二氧化锰复合材料,其具有独特的纳米结构,对铜、镉离子的吸附过程符合伪二级动力学模型。与生物炭和纳米二氧化锰相比,生物炭-纳米二氧化锰对铜、镉离子吸附容量为142.02mg/g和152.1 mg/g,比生物炭和纳米二氧化锰的最大吸附容量分别提高了402%、71%和460%、70.7%。随着体系的pH升高,生物炭-纳米二氧化锰复合材料对铜、镉离子的吸附能力增强,而体系的离子强度变化对其吸附能力的影响较小。生物炭-纳米二氧化锰复合材料吸附铜、镉离子的主要机制为其表面含氧的基团(如COO-和-OH)与铜或镉离子发生络合沉淀作用;离子交换和静电吸引作用也是其吸附铜、镉离子的机制。2.以生物炭-纳米二氧化锰复合材料为固定床的填料,进行了重金属离子连续动态吸附试验。生物炭-纳米二氧化锰复合材料对铜、镉的吸附效率要远高于生物炭,降低进水流速时可以延长生物炭-纳米二氧化锰复合材料吸附铜、镉的穿透时间和耗竭时间;而增加固定床高度可使吸附达到饱和所需时间增加。Thomas模型能够很好的用于生物炭-纳米二氧化锰复合材料固定床对铜、镉的动态吸附过程的描述。其模型拟合参数可以提供生物炭-纳米二氧化锰复合材料的处理含铜、镉离子废水工业化应用中的出水浓度、最大吸附量参数。生物炭-纳米二氧化锰复合材料固定床吸附过程的最佳选择条件是低浓度进水、低流速和提高填料层高度。3.生物炭-纳米二氧化锰复合材料固定床对模拟电镀厂废水中的铜、镉重金属离子均有较好的去除效果,在单位时间内,进水中铜离子和镉离子浓度越大,固定床去除效率越低;在进水时间2 h,固定床对含20mg/L铜离子和镉离子废水的除效率最大,去除率分别为50%和60%。二价金属离子Ca~(2+)和Mg~(2+)对生物炭-纳米二氧化锰复合材料固定床去除铜和镉重金属离子效率的影响要明显高于一价金属离子K~+,且Mg~(2+)的影响比Ca~(2+)还要大,随着影响离子浓度的增大,抑制作用越大。不同酸度对生物炭-纳米二氧化锰复合材料固定床去除铜和镉离子效果存在明显影响;在相同铜、镉离子浓度下,固定床对铜、镉的去除效率随着pH的增加而增加,在pH为6,对重金属离子的去除效果最好。
【学位授予单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X52
【图文】：

技术路线图,纳米二氧化锰,复合材,生物炭

物炭-纳米二化锰复合材吸附铜、镉子机制不同影响因子（pH、温度、离子强度等）对复合材料吸附铜、镉离子的影响静态吸附试验动态吸附实验不同度对料吸镉离的影响不同流量对复合材料吸附铜、镉离子效率的影响不同高度固定床对复合材料吸附铜、镉离子效率的影响生物炭-纳米二氧化锰复生物炭-纳米二氧化锰复合材

能谱图,能谱图,扫描电镜图,生物炭

Table 2-1 Selected physiochemical properties of the BC, NMnO2and NMBCs元素组成 (%) 表面原子组成 (%)灰分(%)比表面积(m2/g)孔径(nm)孔容积(cm3/g)pH碳氢氧氮碳氧锰85.3 5.2 5.16 0.81 75.0 15.3 - 10.2 61.0 23 0.036 10- - - - - 45.38 31.91 - 161 2.54 0.020 7.8s 73.4 2.1 17.2 0.68 35.6 41.2 19.68 12.6 80.3 3.86 0.013 11了进一步明确生物炭-纳米二氧化锰复合材料的表面性质，对其 SEM 图像进行图 2-2）。可以清晰的观察到，多孔结构纳米二氧化锰较均匀的覆盖到生物炭化锰复合材料表面；二氧化锰纳米球密集地生长在生物炭的整个表面上，相互为较大的结构，单个纳米微球的直径约 30 nm（图 2-2a，b）。这些微球在生上形成孔状结构，大大增加了生物炭-纳米二氧化锰的比表面积。利用 EDS 对米二氧化锰复合材料的表面进行分析（图 2-2c），发现在其表面有大量的铜示铜离子也已被吸附到生物炭-纳米二氧化锰复合材料表面。

负荷曲线,负荷曲线

第三章生物炭-纳米二氧化锰复合材料对溶液中铜的动态吸附在床层内所有断面上的吸附负荷均为一个相同的值，吸附负荷曲线将线；但实际上是不可能的，在实际操作中由于床层中存在着阻力，在个截面上的吸附负荷会有差异，我们这时所绘制的曲线将是图 3-1 所。图中把曲线分成了三个区域：饱和区（所有吸附剂已经达到了饱和部分吸附剂还正在吸附）和未用区（所有吸附剂上均未有吸附质）。的吸附，绘制另一时刻的吸附负荷曲线时，会发现曲线前进到了 II 置地把吸附负荷曲线称为吸附波或吸附前沿。当吸附波的下端到达床有吸附质漏出，这时床层被穿透，当床层被穿透的这个时刻称为破点由于吸附剂中吸附质的浓度（即吸附负荷）不易测定，故目前曲线的重金属浓度来表示。因此，吸附负荷曲线又可定义为在稳定吸附状态重金属离子的浓度随床层高度（长度）变化的曲线。

【参考文献】