茶渣活性炭的制备、改性及其在印染废水处理中的应用研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liangchen87
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以普洱熟茶为原料生产速溶茶的工艺使得该种速溶茶加工过程产生的固体废弃物-速溶茶茶渣(茶渣)的应用范围较窄。该茶渣的固定碳含量高,且其产量大、易收集、成本低廉,是一种理想的活性炭原料。本文以此茶渣为原料制备活性炭,采用硝酸氧化法进行改性,在保持活性炭微观结构不受破坏的情况下,增加活性炭的表面酸性官能团含量,利用改性活性炭处理阳离子染料印染废水和阴离子染料印染废水,以期实现对两种印染废水中染料与重金属离子的有效去除。本文主要研究内容如下:以此茶渣为原料,分别探讨了氢氧化钾和氯化锌两种活化剂制备活性炭过程中活化温度、活化剂用量和活化时间对活性炭吸附性能的影响。研究结果表明,在升温速率为5℃/min,常温浸渍24h的条件下,KOH法活性炭的最佳制备条件为:600℃碳化温度,活化温度800℃,浸渍比(80%KOH/生物炭的液固比wt/wt)5:1,活化时间60min。在该条件所得的活性炭的吸附性能最高,比表面积为2414m2/g,孔容为0.969 cm3/g,是以微孔为主的活性炭;在相同的升温速率下,ZnCl2法活性炭的最佳的制备条件为:活化温度600℃,浸渍比(80%ZnCl2/茶渣的液固比wt/wt)3.75:1,活化时间120min。在此条件下制备所得活性炭的比表面积为1211m2/g,总孔容为1.090cm3/g,是以中孔为主的活性炭。由于活性炭对重金属的吸附性能较差,采用硝酸氧化KOH法活性炭,以期增加活性炭表面的酸性官能团含量,提高对重金属离子的吸附性能。探讨了硝酸浓度、温度和反应时间对活性炭微观结构和表面官能团的影响。采用BET、Boehm滴定、零电荷点测定等表征手段对改性前后活性炭的微观结构和表面化学性质进行表征。结果表明,过高的硝酸浓度和过高的反应温度在提高活性炭表面酸性官能团含量的同时,也会对活性炭的微观结构产生破坏,造成比表面积和孔容降低。在适当的硝酸浓度和反应温度下,延长反应时间有利于提高表面酸性官能团含量,并且不会对活性炭的微观结构产生较大破坏。在120℃、0.5mol/L硝酸和反应4h的处理条件下,活性炭的表面酸性官能团总量从0.246mmol/g增加至1.416mmol/g,比表面积从2414m2/g增加至2576m2/g,总孔容从0.969cm3/g增加至1.179cm3/g。该条件所得的改性活性炭对亚甲基蓝、靛蓝二磺酸钠和Cd2+均有较高的吸附效果。以活性炭和改性活性炭为吸附剂,探究其对印染废水中常见的阳离子染料亚甲基蓝、阴离子染料靛蓝二磺酸钠吸附性能及其吸附机理;比较两种吸附剂对Cd2+、Zn2+、Cu2+和Pb2+四种印染废水中常见重金属离子的吸附性能,探究了两种吸附剂对Cd2+的吸附性能及吸附机理。由于孔结构与表面性质的变化,改性活性炭对亚甲基蓝的吸附性能较活性炭有所提高,其最大理论吸附值从1667mg/g增加至2000mg/g;对靛蓝二磺酸钠的吸附性能较活性炭有所降低,其最大理论吸附值从1250mg/g减少至1111mg/g。两种吸附剂对两种染料的吸附行为符合Langmuir模型,吸附动力学遵循准二级动力学模型。其吸附行为均为单分子层物理吸附。与活性炭相比,改性活性炭对四种重金属的吸附性能均有增加。由于羧基、羟基与重金属离子间的络合作用,改性活性炭对Cd2+、Cu2+、Pb2+的吸附效果高于Zn2+。改性活性炭对高毒性重金属离子Cd2+的吸附性能较活性炭有所提高,其最大理论吸附值从44.84mg/g增加至82.64mg/g。活性炭与改性活性炭对Cd2+的吸附符合Langmuir模型,吸附动力学属于准二级动力学模型。活性炭与改性活性炭对Cd2+的吸附为化学吸附和物理吸附共同作用。以改性活性炭为吸附剂,应用于亚甲基蓝/Cd2+和靛蓝二磺酸钠/Cd2+混合溶液中,探究改性活性炭对模拟的阳离子染料印染废水与阴离子染料印染废水的吸附效果及其吸附机理。研究结果表明,改性活性炭对亚甲基蓝/Cd2+混合溶液的吸附过程中,亚甲基蓝和Cd2+存在竞争吸附与静电排斥作用,造成改性活性炭对Cd2+的吸附性能降低。改性活性炭对模拟的阳离子染料溶液中两种污染物的吸附符合Langmuir模型,吸附动力学属于准二级动力学模型。对亚甲基蓝和Cd2+的吸附分别为物理吸附和物理与化学吸附共同作用的单分子层吸附。改性活性炭对靛蓝二磺酸钠/Cd2+混合溶液的吸附过程中,靛蓝二磺酸钠与Cd2+存在协同作用,提高了改性活性炭对两种污染物的吸附量。改性活性炭对模拟的阴离子染料溶液中两种污染物的吸附符合Langmuir模型,吸附动力学属于准二级动力学模型。对靛蓝二磺酸钠和Cd2+的吸附分别为物理吸附和物理与化学吸附共同作用的单分子层吸附。研究结果表明,改性活性炭有望应用于印染废水中染料与重金属的去除。
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