生物炭负载纳米FeS颗粒及其在六价铬污水处理中的应用

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重金属污染对生态环境造成破坏,还威胁着人类的健康。六价铬离子(Cr(VI))是高毒性和致癌性的重金属,由于电镀、冶炼等工业的排放,我国是Cr(VI)污染较为严重的国家之一。如何用简单、环保且成本低的方法治理Cr(VI)污染,具有重要的现实意义。硫化亚铁(FeS)可以提供Fe2+和S2-作为电子供体,还原Cr(VI)到低价态的Cr(III)以降低其毒性,纳米尺度的FeS颗粒还具有活性高比表面积大的优势,在Cr(VI)污水的治理中效果明显。然而,直接将纳米FeS用来处理Cr(VI)污水会出现颗粒聚集、易被氧化和反应活性降低等问题,通常用表面改性和物理化学负载的方法来解决这些问题。生物质炭具有比表面积大、表面官能团丰富、多孔结构等特点,非常适合作为支撑材料将纳米FeS负载到其表面。本论文通过活化-热解法将纳米FeS负载到生物质炭(Biochar)的表面。对制备出的FeS/Biochar复合材料进行表征,通过批次实验和连续流柱实验对FeS/Biochar材料处理Cr(VI)污水的性能进行评估。结合软件模拟和测试结果,揭示FeS/Biochar材料去除Cr(VI)的原理。主要研究内容及获得的结论如下:(1)选用硫酸亚铁铵(Fe(NH4)2·(SO4)2,FAS)作为铁源、硫源和活化剂,木质纤维素类生物质为碳源,用活化-热解法制备得到FeS/Biochar复合材料。对制备工艺中热解温度、生物质的种类、活化剂与生物质的质量比这三个关键因素对复合材料的组成、结构的影响进行了研究。通过对样品进行TG-DSC、XRD分析,表明热解温度、硫酸亚铁铵与生物质的质量比对FeS/Biochar复合材料的组成有决定性的影响,当热解温度为700℃、FAS与生物质的质量比为1:1.5时,得到了纯相FeS与生物炭的复合物。(2)选用黄麻纤维生物炭负载FeS复合材料为研究对象,考察了FeS/Biochar对水溶液中Cr(VI)的去除性能。首先对样品进了XRD、Raman、XPS、FT-IR、SEM、TEM和N2吸附-脱附实验表征,结果表明样品为多孔无定型碳负载FeS纳米颗粒的复合材料,比表面积为447.021 m~2/g,表面存在丰富的含氧、含氮和含硫基团,表面主要原子含量为C(62.27%)、Fe(5.44%)、S(5.28%)。在批次实验中,优化的实验条件为:溶液初始p H=2,FeS/Biochar用量为1 g/L。在优化条件下,吸附容量0)为55 mg/g。FeS/Biochar对Cr(VI)的去除的等温吸附过程符合Langmuir模型,吸附动力学拟合结果符合颗粒内扩散模型。吸附过程中,温度升高有利于Cr(VI)的去除。在连续流柱实验研究表明,吸附剂的量越少、铬溶液流速越大、铬溶液的浓度越大,对应的穿透曲线中到达穿透点和耗竭点的时间也就越短。在循环性及脱吸附的研究中,FeS/Biochar材料经过三轮吸附-解吸循环后,FeS/Biochar仍然保持较好的除铬性能,吸附容量从7.48 mg/g变为5.94 mg/g;吸附平衡后Cr(VI)浓度从23.75 mg/L变为18.39 mg/L。(3)对FeS/Biochar材料、纯生物质炭和商用FeS三种材料的除铬性能进行对比,发现FeS/Biochar材料的性能最好。用Visual MINITEQ软件模拟Cr和FeS在溶液中的存在形式,结合XPS表征发现FeS/Biochar材料的除铬原理包括20%左右的物理化学吸附和80%左右的还原作用,并且对其还原机理做出了解释。
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