竹基生物炭的制备及其对模拟印染废水的吸附性能研究

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染料被广泛应用于纺织、食品、造纸、印染等行业,产生的印染废水具有化学需氧量高、色度高、成分复杂等特点,会对人类健康、水体环境以及生态系统等带来严重危害。因此,发展印染废水治理技术具有必要性。众多水处理方法中,吸附法由于具有操作简便、性能优良等特点而被广泛使用。碳纳米管、石墨烯等碳材料由于其优异的吸附性能而受到持续关注,但是高昂的成本限制了它们的推广使用。生物炭是一种在缺氧或无氧环境下,通过高温热解得到的碳材料,具有良好的孔隙结构和较高的比表面积,表面丰富的含氧官能团(羟基和羧基等)也赋予了它优良的化学性质。近年来,生物炭作为成本低廉、绿色高效的吸附剂被广泛应用于水体治理和环境修复等领域。本文以竹质废弃物为原料,用慢速热解法制备了竹基生物炭(400BC、600BC和800BC),选取阳离子染料亚甲基蓝(MB)、阴离子染料刚果红(CR)和中性染料中性红(NR)分别模拟印染废水。通过不同测试技术对生物炭的物理结构和化学性质进行表征,运用多种吸附模型对吸附过程进行拟合分析,系统性地研究了竹基生物炭对模拟印染废水的吸附性能。1.在表征结果上,SEM中观察到800BC的孔隙较细密并出现“蜂窝状”结构,EDS显示其含碳量高达88.9%。通过红外光谱可证明竹基生物炭表面存在羟基、羧基和醚键等含氧官能团。通过BET得到800BC偏向微孔材料且比表面积为381 m2/g。ZPA的结果表明竹基生物炭的零电位pH值约为2.8。2.在吸附性能上,竹基生物炭对MB、CR和NR均有较好的吸附效果,最大吸附容量分别为20.2 mg/g、18.5 mg/g和63.8 mg/g。单一因素影响实验中,热解温度为800℃时,吸附性能最佳;生物炭对模拟印染废水的去除率随着吸附剂添加量和吸附时间的增加而上升,随着染料初始浓度的增加而下降;离子浓度通过吸附竞争和压缩双电层效应对吸附过程产生影响;吸附MB和NR适合在碱性环境下展开,而吸附CR则适合在酸性环境下。吸附动力学中,准二级动力学模型可以较好拟合对模拟印染废水的吸附,且相关系数均在0.99以上。吸附等温线中,Langmur等温线模型优于Freundlich等温线模型,证明竹基生物炭对模拟印染废水的吸附过程为单分子层吸附。吸附热力学中,吉布斯自由能变(△G)均小于零,而熵变(△S)和焓变(△H)均大于零,证明吸附过程为自发吸热且熵增的过程。运用颗粒内扩散模型进一步阐明动力学过程,拟合的方程均不过原点,表明吸附过程同时涉及边界层扩散和粒子内扩散。吸附机理上,对吸附前后的XPS进行表征,进一步结合pH影响实验和比表面积影响实验,可以证明吸附过程中存在π-π相互作用、氢键、静电相互作用和孔道吸附机制等作用机理。脱附实验中,以高温法实现竹基生物炭的再生循环,三次循环后的再生效率均保持较高水平。本研究通过对林业废弃物的加工处理,制备了成本低廉且绿色高效的吸附剂,并在模拟印染废水的去除治理中成功应用,具备重要的理论价值与实用前景。
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