基于蓝藻生物炭复合物的类芬顿法处理电镀废水过程研究

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汽车、珠宝饰品、航空航天等行业的空前盛况推动了电镀产业的迅猛发展。与此同时,电镀废水的排放问题不容忽视,尤其要关注和解决含有重金属络合剂电镀废水的深度处理与达标排放。本研究依托毗邻太湖的地理位置优势,取太湖蓝藻为生物质原料,经热解和改性制得新型蓝藻生物炭复合材料(Fe(Ⅲ)-ABC-20)。该材料的优势在于能够耦合吸附作用与非均相类芬顿反应,二者的协同作用可以有效去除添加有络合剂电镀废水中的重金属。此外,该复合材料实现了可循环利用,避免了含铁污泥的大量产生,并且拓宽了太湖蓝藻的资源化利用方向。相比于均相芬顿反应,Fe(Ⅲ)-ABC-20显得更加经济可行和环境友好。本研究得出的主要结论如下:(1)以太湖蓝藻为原料,经KOH活化和α-Fe2O3负载制备得到的Fe(Ⅲ)-ABC-20比表面积高达1256.5 m2/g,孔容积为0.566 m3/g,并且FTIR定性分析以及Boehm滴定定量测得该材料表面具有丰富的含氧官能团,说明Fe(Ⅲ)-ABC-20对污染物有较强的吸附能力;利用XRD、TEM、EDS、FTIR、XPS等表征手段共同证实了α-Fe2O3的成功负载,通过电化学测试检出了Fe(Ⅲ)的还原电流,并验证了配体和负载金属之间电荷转移(LMCT)的存在,说明该材料具备作为类芬顿催化剂的能力。(2)普通均相芬顿在H2O2用量为50 mM,Fe2+用量为2.8 mM,初始pH=2,反应时间为90 min的条件下对锌镍合金电镀废水中重金属的去除效果最好,此时废水中Zn和Ni的去除率分别为99.64%和94.42%。但是Ni的剩余浓度为0.16 mg/L,达不到排放标准,而且存在药剂用量多,实际运行成本高,含铁污泥量大等缺点,需要在此基础上进行改良。(3)蓝藻生物炭复合材料耦合吸附和非均相类芬顿体系在Fe(Ⅲ)-ABC-20的用量为2.5 g/L,H2O2用量为20 m M,初始pH=6,吸附饱和时间为20 min,芬顿反应时间为60 min的条件下,锌镍合金电镀废水中Zn和Ni的去除率分别为99.38%和98.97%,均满足国家排放标准。此外,Fe(Ⅲ)-ABC-20在上述最佳反应参数下回用4次后,对电镀废水中Zn和Ni的去除率仍然到达99.15%和93.26%,说明该材料稳定性较强。(4)Fe(Ⅲ)-ABC-20对电镀废水中Zn和Ni的吸附过程与Langmuir吸附等温模型拟合程度最高,得到Ni和Zn的理论最大吸附量为2.09 mg/g和5.65 mg/g。为明确类芬顿反应机理,利用电子自旋共振(ESR)捕获并检测出自由基物种?OH和?O2-,再通过GC-MS检测并分析中间产物,推测出络合剂四羟丙基乙二胺(EDTP)先被降解成2-羟基丙醛或者2-乙基乙二胺再进一步降解成CO2和H2O的降解路径。最后,以密度泛函(DFT)为理论基础计算和分析了EDTP的前线轨道以及自由基进攻位点,从理论层面上证实了本文提出的EDTP降解路径的可信性和合理性。
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