摘要
Cu(Ⅱ)和As(Ⅴ)是酸性矿山废水(AMD)中典型的重金属污染元素,AMD未经处理排放会给人体和环境造成严重危害.本研究选择废弃农作物玉米秸秆为原料制备生物炭,并通过共沉淀法制备针铁矿改性生物炭复合材料,开展静态吸附实验探究不同吸附条件对其吸附性能的影响,并结合动力学、等温吸附、热力学模型以及多种表征手段(SEM-EDS、BET、FTIR、XPS、XRD)分析Cu(Ⅱ)和As(Ⅴ)的吸附机理.此外,为便于该材料回收利用,同时考察实际应用价值,将粉末状的复合材料颗粒化,并通过静态实验探究pH和多种干扰离子对颗粒材料的吸附性能影响,开展动态连续流柱实验,评估颗粒材料的实际应用潜力.主要研究结果如下: (1)以不同热解温度(400℃、550℃和700℃)制备生物炭,根据静态试验结果且综合考虑经济成本选择BC-550,后续进行不同铁浓度(0.5、1、2)的改性,试验结果和表征结果显示1M 铁浓度改性的效果最好,共沉淀前经过 KOH活化能更好的提高生物炭的孔径和比表面积等理化特征.SEM-EDS、FTIR、XPS等表征结果,证实了针铁矿已成功负载到生物炭上. (2)静态吸附实验研究结果表明,材料投加量、不同初始pH、吸附质的初始浓度和共存离子对改性材料吸附 Cu(Ⅱ)和 As(Ⅴ)均有影响.在投加量为 1g/L, pH=5(±0.1)的条件下对 Cu(Ⅱ)的吸附效果最佳.阳离子共存时复合材料对 Cu(Ⅱ)的吸附有显著影响,且随浓度增加其影响更大,阴离子共存时其影响顺序依次为:Cl-＞NO3-＞SO42-.对于材料吸附As(Ⅴ),在投加量为1g/L 、pH=4(±0.1)、As(Ⅴ)初始浓度为20 mg/L时,As(Ⅴ)的去除率和吸附量能达到89.05%和17.86mg/g,且当多种阴阳离子共存时材料对As(Ⅴ)的吸附无明显抑制.此外,该材料Cu(Ⅱ)和As(Ⅴ)的吸附均有良好的吸附再生性能,在循环使用5次后,Cu(Ⅱ)和的As(Ⅴ)吸附量仍然可维持在29.55 mg/g和13.81mg/g. (3)Cu(Ⅱ)和As(Ⅴ)的吸附过程更加符合拟二级动力学模型,均以化学吸附为主,同时颗粒内扩散模型能很好的描述吸附速率的变化情况.Cu(Ⅱ)的等温过程符合Langmuir等温模型,而As(Ⅴ) 的等温过程符合Freundlich模型,最大吸附量分别为51.23 mg/g和37.37 mg/g.热力学结果显示,随着温度升高,其混乱度越大,更有利于吸附的自发进行,ΔG为负值表明其过程是吸热的.采用XRD、FITR和XPS对复合材料吸附Cu(Ⅱ)和As(Ⅴ)前后分析,表明吸附机制存在含氧官能团络合、表面沉淀和静电引力的共同作用. (4)连续流动态吸附柱实验结果表明,Cu(Ⅱ)和As(Ⅴ)单一体系的吸附柱中耗竭时间(Ct/C0gt;0.9)分别为8880 min和10680 min,其Thomas模型计算出最大吸附量分别为117.68mg/g和21.73 mg/g.然而,当Cu(Ⅱ)和As(Ⅴ)共存时,其连续流吸附柱中对Cu(Ⅱ)和As(Ⅴ)的吸附耗竭时间点均有延迟,且Thomas 模型对吸附柱实验数据的拟合度较高(R2=0.94和R2=0.84),最大吸附量分别为171.19 mg/g和65.55 mg/g,说明该模型能够很好的描述Cu(Ⅱ)和As(Ⅴ)的动态吸附过程.
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