多孔竹炭对废水中氮杂环化合物的吸附机理研究

来源 :华中科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ytm_2009
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氮杂环类(NHCs)污染物广泛存在于焦化外排水中。由于它们难以生物降解,其毒性将长期存在于环境中。NHCs已被美国环境保护局列为主要污染物。吸附法是一种简单高效的去除NHCs的方法,目前用于NHCs去除的吸附剂主要为活性炭(AC),由于AC吸附需要高的投资成本并且再生困难,而且AC的主要原料煤属不可再生资源,因而其应用前景将受到影响。最近利用碳纳米管(CNTs)对污染物的吸附成为了一个研究热点,但是由于CNTs的价格昂贵并且纳米级的CNTs颗粒会导致潜在的环境风险,因而其应用前景仍然受到了限制。因此,开发绿色可再生型的廉价吸附剂显得十分重要。竹炭(BC)是一种新的多孔碳质可再生材料,是竹材在氮气环境下高温热解得到的产物。本文利用BC作为吸附剂去除水体中的吡啶、吲哚和喹啉,并深入探讨其吸附机理。为使竹炭具有不同的表面性质,对实验室制备出的两种BC分别进行HNO3、NaOH、微波(MW)改性,研究了BC对NHCs的吸附效果和吸附机理,阐释了BC对NHCs的吸附速率控制过程、热力学自发性,并研究了饱和BC的MW再生效果和再生机理。得到的主要结论如下:(1)BC主要由石墨烯结构组成,其官能团C–C、C–O、C=O、COO–、π–π*、C=N等镶嵌在石墨烯边缘形成中孔结构。HNO3改性降低了BC的BET比表面积、微孔体积、疏水性;NaOH改性增加了BC的BET比表面积和微孔体积;MW改性显著的增加了BC的疏水性和芳香结构。相比于AC和CNTs,BC具有低的石墨结构和比表面积,但是具有多的含氧官能团和多孔,这个特征意味着BC对一些大分子有机物如NHCs有优良的去除效果。(2)NHCs在BC上吸附等温线为非线性。对比Langmuir和PMM模型,Freundlich能更好的描述NHCs在BC上的吸附行为。BC对NHCs具有强的吸附能力,其对吡啶、吲哚、喹啉的的最大吸附容量分别达到了42.9、93.2、91.7mg/g。BC对NHCs的吸附机理主要为范德华力、疏水相互作用、静电相互作用、π-π EDA相互作用。通过建立吸附系数log K与BC-NHCs物理化学性质之间的关系模型,发现上述四种机理的相对贡献大小为表面作用>疏水相互作用>静电相互作用>π-πEDA相互作用。(3)利用Lagergren一阶动力学、Lagergren二阶动力学、Weber-Morris孔扩散模型对动力学数据进行分析,结果表明BC对NHCs的吸附主要由表面扩散控制,在开始的1小时内为表面扩散,之后为孔内扩散;热力学结果表明NHCs在BC上是自发的吸热过程;位能分布表明BC表面有多相位点供NHCs吸附。(4)MW是一种有效的再生饱和BC的方法,经过5次再生后,BC对NHCs的吸附依然维持在一个很高的水平,甚至高于再生前的BC。饱和BC的MW再生吸附机理主要为:(i)MW再生增加了BC的外表面积、平均孔径、总孔体积,从而增加了BC表面的吸附位;(ii)MW再生增加了BC表面的疏水性,从而增强了对NHCs的吸附能力(;iii)MW再生增加了BC的石墨结构从而增强了BC与NHCs之间的π–π相互作用。动态固定床结果表明BC是一种前瞻性的去除NHCs的吸附剂。
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