论文部分内容阅读
有毒物质(如重金属和染料)的大量排放导致环境污染问题日趋严重。本文选用炭基吸附剂对水中的重金属和染料污染物进行吸附去除,针对其表面官能团有限、对重金属等污染物吸附容量较低等缺陷,对生物炭和炭纤维进行表面化学修饰,以改善其对重金属污染物的去除性能。同时制备了光催化剂改性的活性碳纤维,以期通过吸附—光催化降解方式提高炭纤维对有机染料罗丹明的去除效果。修饰前后的材料通过傅里叶转换红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)等方法进行表征。主要研究内容和结果如下：一、使用聚乙烯亚胺(PEI)对生物炭进行表面化学修饰,使其表面接枝大量氨基,进而提高该吸附剂对重金属Cr(VI)的吸附去除。实验考察了pH值、接触时间、初始Cr(VI)浓度等对其吸附性能的影响,并探究了Cr(VI)与PEI修饰的生物炭相互作用机理。结果表明,Cr(Ⅵ)吸附过程符合拟二级动力学模型和Langmuir吸附模型。改性后吸附剂对Cr(Ⅵ)的吸附能力显著提高,在pH值为6.8时,PEI-alkali-biochars对Cr(Ⅵ)的最大吸附容量为435.7mg/g,远高于初始生物炭的23.09mg/g。同时,PEI修饰后的生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附能力受溶液pH的影响,较低的pH更有利于Cr(Ⅵ)的吸附。该吸附剂用1M盐酸再生时,在吸附解吸实验6个周期内性能无明显降低,体现了很好的稳定性。因此,改性后的生物炭对重金属Cr(Ⅵ)具有良好的吸附性能,同时表现出较好的稳定性。二、采用PEI修饰聚乙烯醇(PVA)基活性碳纤维,并对水中Cr(Ⅵ)进行吸附去除。实验结果表明,该吸附符合Langmuir模型,PEI-ACF对Cr(Ⅵ)的最大吸附容量为85.05mg/g。同时,利用此吸附剂,对含有Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+的复合重金属污染物进行吸附动力学实验、吸附-解吸附连续周期实验。实验结果表明,虽然重金属吸附总量和Cr(Ⅵ)相比没有明显变化,但其总的吸附平衡时间却从1.5小时增加至约6个小时。并且,PEI-ACF对这几种重金属的吸附优先级为Pb (Ⅱ)> Cu (Ⅱ)> Zn (Ⅱ)> Cd (Ⅱ),对Pb(Ⅱ) Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)的吸附过程符合拟二级(pseudo-second-order)动力学模型。在三个连续周期的吸附解吸附试验中,第二个周期时,整个混合金属的去除率已经达不到20%,第三个周期时,吸附率继续下降至15%。究其原因,可能是因为这四种金属和Cr(Ⅵ)吸附在PEI-ACF表面的主要作用机理不同。HCl对于这四种带有正电荷的金属离子来讲不是理想的解吸剂,反而会使吸附剂表面带有过多的正电荷,使得减少PEI-ACF上官能团对金属离子的电荷吸引,从而减少了吸附活性位点。三、分别用光催化剂Ti02和Ga203修饰自制的PVA基活性碳纤维,制备了TiO2/ACF和Ga2O3/ACF,用来吸附—光降解染料污染物罗丹明。实验结果表明,Ti02和Ga203都不同程度地负载在ACF表面,使其表面形貌和元素组成发生了变化。通过动力学分析可知Ga2O3/ACF的吸附速率较快(约2个小时),而TiOa/ACF的吸附速率很慢,到达平衡的时间较长(约10个小时)。同时,制备的Ga2O3/ACF对罗丹明表现出很强的吸附性能和稳定性,循环使用5个周期后,去除率仍保持在90%以上,但是光催化性能有待进一步提升。TiO2/ACF相较前者则展现出更强的光催化性能。