苦草废弃生物质基磁性颗粒/成型多孔炭球的制备及吸附性能研究

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我国每年产生大量的生物质固体废弃物,给人类及其生存环境带来严重的危害,如何对其进行资源化处理和利用已经成为人们关注的热点。以有机固体废弃物为原材料制备的生物质吸附剂,具有低成本、高效率、可再生等特点,在水处理应用和废气净化技术方面有广阔的发展空间。鉴于粉体生物质吸附剂难于分离和回收、并且在环境污染控制领域的应用受到局限,本论文以废弃生物质为原材料,分别制备易于回收的赋磁和成型生物质吸附材料,并对材料的理化性质、吸附水相和气相中典型污染物的性能进行研究。所开展的研究工作及获得的主要结果如下:(1)以沉水植物苦草废弃生物质为原料,以FeSO4·7H2O和FeCl3·6H2O为铁前驱体,通过化学沉淀法成功制备磁性颗粒生物吸附剂。采用多种技术手段对其进行表征,并考察了赋磁吸附剂吸附染料亚甲基蓝(MB)的吸附性能及磁分离能力,阐明了磁性生物质吸附剂对MB的吸附行为。研究结果表明苦草粉末赋磁后,Brunauer-Emmett-Teller(BET)比表面积由3.575 m2/g 增长到了 7.434 m2/g,总孔容由 0.004 cm3/g 增至 0.013 cm3/g。X 射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)分析表明生成了磁性γ-Fe2O3晶体,在适当的磁场作用下能实现磁性颗粒的快速分离。吸附剂的投加量对非磁性和磁性生物吸附剂吸附MB的影响较大,但溶液温度和pH的影响较小。吸附动力学和等温吸附研究表明MB在两种吸附剂上的吸附行为符合准二级动力学模型和Dubinin-Radushkevich(D-R)等温吸附模型,且热力学研究表明MB的吸附是自发的放热反应。根据Langmuir等温模型计算得出,303 K时,MB在非磁性和磁性吸附剂上的单分子层吸附量分别为657.90 mg/g 和 473.93 mg/g。(2)以废弃苦草为原料,ZnCl2为化学活化剂,结合液化技术、树脂化技术、水热技术和热活化技术成功制备了自成型轻质多孔炭球(BCPs-ZnCl2),采用扫描电镜(SEM)、傅里叶红外变换光谱(FT-IR)及氮气吸附-脱附等多种技术手段对材料的表面形貌、材料的组成、比表面积及孔隙结构等进行表征。以甲硝唑(MNZ)的吸附效果为评价指标,得到BCPs-ZnCl2的最优制备条件为:苦草与ZnCl2的质量比为1:2.4,炭化温度为600 ℃,炭化时间为90min。BCPs-ZnCl2表现出低的体积密度和高的机械强度,平均粒径为5 mm。其BET比表面积、总孔容(Vt)和微孔孔容(Vmic)分别为 922.56 m2/g,0.421 cm3/g 和 0.386 cm3/g。(3)开展了 BCPs-ZnCl2吸附水相中典型抗生素药物甲硝唑和迪美唑(DMZ)的能力及吸附行为研究。实验考察了环境因子对BCPs-ZnCl2吸附MNZ和DMZ效果的影响,最佳的吸附条件是吸附剂用量5g/L,自然pH和温度30 ℃,此时MNZ和DMZ的去除率分别达到96.7%和97.0%。MNZ和DMZ在BCPs-ZnCl2上的吸附过程均符合准一级动力学模型,等温吸附研究结果表明MNZ的吸附符合Langmuir模型,而DMZ的吸附符合D-R模型,MNZ和DMZ的最大吸附量分别为64.23 mg/g和82.58 mg/g,在BCPs-ZnCl2上的吸附过程是自发的吸热反应,吸附机制主要包括氢键作用、π-π电子分散作用和微孔填充。(4)以BCPs-ZnCl2为吸附剂,以二甲苯为典型挥发性有机污染物(VOCs)代表物,采用顶空气相色谱法研究了二甲苯在BCPs-ZnCl2炭球上的吸附性能及吸附行为。最佳的吸附条件是吸附剂用量0.1 g、体系温度40 ℃及相对湿度30%,二甲苯初始浓度为3.464 g/m3时,吸附90 min去除率达到100%。吸附动力学研究结果表明,二甲苯的吸附过程更符合准二级动力学模型,而等温吸附模型更符合Langmuir模型,且最大单分子层吸附量为250.63 mg/g。热力学研究表明二甲苯在BCPs-ZnCl2上的吸附是一个自发吸热的过程。微孔填充和π-π电子分散作用属于主导作用。
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