摘要
水污染是一个全球性环境问题，每年大量的废水被排放到水环境中导致清洁水资源遭到严重破坏。偶氮染料和重金属离子是废水中常见的两种污染物，具有高毒性及不可生物降解性，对生态环境和人类健康形成了极大威胁。如何有效地将染料和重金属离子从废水中去除是目前亟需解决的难题。本文以竹屑、杨木屑等废弃物为原料制备了两种新型的生物炭基吸附剂，并将其用于高效去除刚果红染料（CR）和六价铬（Cr(Ⅵ)）。主要的研究内容及结论如下： 1.利用废弃竹屑为原料通过热解和NaOH高温活化制备多孔竹炭，然后引入CoFe2O4纳米颗粒并进行氨基改性合成了聚乙烯亚胺（PEI）改性竹屑热解炭磁性材料（MABC-Px）。对MABC-Px进行表征分析，结果表明：MABC-Px整体为多孔棒状结构，具有较高的热稳定性和饱和磁强，能简单迅速地从溶液中分离；经过PEI改性后，材料的N含量明显提升，但比表面积和孔体积减小。对MABC-P50吸附CR的性能进行探究，结果表明：MABC-P50在298K下的最大吸附量为377.61mg?g-1，较改性前提高了1.8倍；CR吸附量随pH降低显著提高，且盐离子对吸附有促进作用；低浓度和高浓度CR的吸附动力学分别更符合准二级动力学和Elovich模型；CR的吸附等温线符合Freundlich模型，且吸附过程是一个自发、吸热、熵增的过程。混合染料吸附实验结果表明：在刚果红/亚甲基蓝（CR/MB）二元体系中，由于协同吸附作用，MABC-P50去除MB的能力得到极大增强，这种协同作用是CR与MB之间的静电吸引和π-π叠加。CR在MABC-P50上的吸附机制主要为静电吸引和氢键作用。MABC-P50几乎可完全去除模拟纺织废水中的CR染料。此外，吸附后的材料在NaOH/乙醇洗脱液（NaOH浓度为0.1M，NaOH:乙醇=1:1）中浸泡2h实现吸附剂再生。经过10次重复利用后，CR去除率仍可达到93.1%。 2.利用废弃杨木屑为原料通过水热碳化和KOH预处理制备杨木水热炭，然后引入Fe3O4纳米颗粒并进行氨基改性合成了PEI改性木屑水热炭磁性材料（MHTCP）。对MHTCP进行表征分析，结果表明：MHTCP具有超顺磁性，1min内就能完全从溶液中分离；经过改性后，材料的N含量和zeta电位明显增大，PEI与水热炭上的羧基形成酰胺共价键。对MHTCP-5吸附CR的性能进行探究，结果表明：MHTCP-5在303K下的最大吸附量为930.41mg?g-1，较改性前的水热炭提高了3.6倍；盐离子和阳离子型表面活性剂均可极大增强CR的吸附，且MHTCP-5去除复杂水体系中CR的能力较去离子水中有显著提升；CR吸附过程符合Elovich和Freundlich模型，是一个自发、吸热、熵增的过程。此外，MHTCP-5吸附CR的能力强于其它污染物，表现出较高的选择性，且在混合体系中也可将CR几乎完全去除。CR的吸附机制主要是静电吸引和氢键作用。CR柱吸附过程比较符合Thomas模型，平衡吸附量（0q）为782.3mg?g-1，高于大多数已报道的吸附剂。 3.将MHTCP用于去除废水中的Cr(Ⅵ)，结果表明：MHTCP-5在303K下的最大吸附量为281.64mg?g-1，较改性前提高了1.03倍；Cr(Ⅵ)吸附量随pH增大先上升后下降，在pH=2时达到最大值；阳离子和微塑料对Cr(Ⅵ)吸附没有明显影响，而腐殖酸和阳离子型表面活性剂则有一定促进作用；Cr(Ⅵ)去除过程符合Elovich和Freundlich模型，且是一个自发、吸热、熵增的过程。MHTCP-5去除Cr(Ⅵ)的能力要远高于其它重金属，在混合体系中对Cr(Ⅵ)表现出较高选择性，吸附分离因子（SF）在9.16到15.81之间。MHTCP-5对低浓度Cr(Ⅵ)具有极快的吸附速率，在5min内可将溶液中Cr(Ⅵ)浓度降低至饮用水标准（0.05mg?L-1）以下，10min内降至0.004mg?L-1以下；MHTCP-5经过17次吸附循环后，Cr(Ⅵ)残留浓度仍低于0.05mg?L-1。Cr(Ⅵ)的去除过程既有吸附又有还原，Cr(Ⅵ)首先通过静电吸引和氢键作用吸附到MHTCP-5上，随后部分Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ)，而Cr(Ⅲ)通过配位作用进行固定。MHTCP-5具有较大实际应用潜力，当吸附剂用量为2g?L-1时，可将电镀废水中Cr(Ⅵ)的浓度降至0.004mg?L-1以下。
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