摘要
偶氮染料是纺织、印染等行业重要的工业原料，具有生物毒性和难降解特点，其大量排放对环境和生物均会产生严重危害。吸附法和化学还原法可以对该类污染物进行无色处理，但是吸附剂吸附能力有限和化学还原的降解速率较慢限制了它们的应用。基于生物炭具备吸附和促氧化还原反应的能力，它可以将吸附法和还原法协同起来用于处理偶氮染料，为去除偶氮染料提供了一个高效方法。本文使用掺氮和铁盐改性两步法制备了一种高吸附和强氧化还原性能的复合生物炭材料（Fe-N-BC），并研究该材料吸附和强化Na2S还原降解甲基橙的效能及过程。主要研究内容和结论如下： 首先，对超声改性条件进行优化并通过表征对比Fe-N-BC、掺氮生物炭（N-BC）和未修饰生物炭（BC）特性。确定了最优的改性条件，其中Fe3+与N-BC浸渍质量比为0.6，超声功率80W，超声时长120min。表征证明掺氮过程增加了生物炭表面粗糙度、增大比表面积以及提高材料的石墨化程度和电容性能，并且氮元素被成功掺杂进生物炭；铁盐改性的过程进一步提升Fe-N-BC的比表面积和比电容，分别达到463.46m2/g和11.27F/g，也增多生物炭表面的官能团含量和种类，Fe元素以FeOOH形式被负载到Fe-N-BC的表面，并且部分Fe3+被生物炭诱导还原成Fe2+。 其次，对Fe-N-BC静态吸附甲基橙（MO）效能和吸附特征进行了研究。结果表明，在相同条件下Fe-N-BC（73.02%）对MO的吸附率高于N-BC（59.92%）和BC（0.26%）。吸附体系中，MO初始浓度越高，Fe-N-BC对MO的吸附量越大，但是MO的去除率逐渐降低；pH值越低的环境越有利于吸附MO。准二级动力学模型和Langmuir等温线模型描述Fe-N-BC吸附MO过程与实际过程更相符。热力学特征研究表明，Fe-N-BC对MO吸附过程是以物理吸附为主、化学吸附为辅的吸热和熵增过程。Fe-N-BC重复解吸-吸附MO五次之后的去除率下降维持在10%以内。 最后，研究了Fe-N-BC强化Na2S还原降解MO在不同条件下的效能和机理。结果表明，Fe-N-BC/Na2S去除MO体系降解MO的速率常数达到3.09×10-2，远高于Fe-N-BC单独吸附和单独Na2S还原体系的叠加之和（3.7×10-4）。通过机理分析发现，正是由于Fe-N-BC自身强吸附能力和氧化还原特性，实现了对MO的协同快速去除。而这主要是由于Fe-N-BC的丰富孔隙结构增大了还原剂和MO与生物炭接触的概率，并且生物炭的石墨结构、负载的Fe2+、羰基官能团以及石墨氮官能团强化了氧化还原反应中的电子传递。
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