水中六价铬在改性玉米秸秆表面的吸附与还原研究

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含铬废水每年的排放量巨大,其中的六价铬(Cr(VI))因具有致畸、致突变、致癌作用,而对生态系统有着极大的危害。在Cr(VI)废水治理中,以农业废弃物为吸附剂的生物吸附,具有快速有效、成本低廉的优点,应用潜力较大。随着研究的深入,学者们发现在生物质材料吸附Cr(VI)过程中还有Cr(VI)的还原转化发生,然而目前对于Cr(VI)在吸附过程中的还原特性和机理尚未完全明确。本文的主要研究内容与结果如下:本研究以玉米秸秆为原材料制备了一种改性玉米秸秆阴离子吸附剂,通过SEM、FTIR、XPS等仪器进行表征,发现改性玉米秸秆表面形貌纤维特征明显,基团以季铵基和羟基为主。Cr(VI)批吸附实验结果表明,在pH=4时Cr(VI)吸附量最大。吸附剂量的增加即会使Cr(Ⅵ)的去除率提高,也会使得吸附剂的吸附量下降。改性玉米秸秆对Cr(Ⅵ)的吸附等温线符合Langmuir模型,理论吸附量为35.9 mg/g。Cr(Ⅵ)的吸附机理为CrO42-与Cl-发生离子交换。为了定量分析固相铬形态分布,建立了一种改性玉米秸秆上Cr(VI)与Cr(Ⅲ)的快速同步解吸方法:以2 mol/L H3PO4为解吸液,解吸液体积为20mL,在25℃、150rpm条件下解吸10min,总铬回收率可达95%。基于以上固相铬解吸方法,考察了pH、初始Cr(VI)浓度等因素对Cr(VI)的还原性能的影响,并通过吸附前后固相表征和液相产物分析对Cr(VI)还原机理进行探究。结果发现,pH越低越有利于Cr(VI)的还原,初始Cr(VI)浓度以及吸附剂量的提高均使Cr(VI)的还原量增加。Cr(VI)还原的动力学过程初始阶段符合零级反应模型,并计算出还原反应活化能为36.8 kJ/mol。Cr(VI)可能的还原机理:Cr(VI)先通过离子交换被吸附到改性玉米秸秆表面,部分Cr(VI)(<30%)由附近的季铵基和羟基作为电子供体从而被还原为Cr(Ⅲ),而季铵基则被氧化为甲酸和硝酸根。生成的Cr(Ⅲ)大部分(>55%)结合在吸附剂表面,剩余Cr(Ⅲ)则被释放入溶液中。最后,利用配水溶液以及实际电镀废水研究了改性玉米秸秆对Cr(VI)的柱吸附与还原特性。研究结果表明,高径比越大,Cr(VI)穿透时间越长而吸附容量更大。但随着流量和初始Cr(VI)浓度的增加,穿透时间显著缩短。在柱吸附过程中也会有Cr(VI)的还原现象发生,而且在初始阶段Cr(III)生成量最大。
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