镧改性稻壳炭对磷吸附性能研究

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近年来我国工业化的迅速发展,使得大量含磷废水排入自然水体中,加速了江河湖泊水体富营养化进程,对水生生态环境造成危害。因此,对废水除磷技术进行优化和开发,可以缓解水体富营养化对环境造成的危害,对环境污染防治具有重要的意义和价值。在诸多除磷技术中,吸附技术因为其具有成本低、环境友好、效率高等的优点受到广泛关注。稻壳作为一种农业废弃物,产量庞大,占据大量储存空间,但是稻壳是一种可再生资源,含碳量高,可以作为制备生物炭原料;镧(La)是一种对磷酸盐具有较强亲和力的稀土元素,将两者联合运用于对磷的吸附过程中,具有广阔的发展潜力。本文以稻壳为原料,通过热解获得稻壳生物炭,后经KOH浸渍以及活化获得高比表面积的稻壳炭,将镧负载到稻壳炭上,再通过改变负载溶液p H制备镧改性稻壳炭(La-RCA)吸附材料,提高对磷酸盐的吸附能力。本研究通过探讨碱碳比、活化温度、改性溶液初始p H和镧(La):生物炭质量对La-RCA吸附磷酸盐效果的影响,对La-RCA进行优化,通过单因素试验得到一组最优的制备条件,并通过扫描电镜显微镜及能谱分析(SEM-EDS)、比表面积及全孔隙分析(BET)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)表征对比了最优制备条件下RC、RCA和La-RCA形貌结构和理化性质的差异,全面分析和评价了稻壳炭的改性效果。通过静态吸附试验,探讨了La-RCA吸附磷酸盐影响因素(溶液初始p H、吸附剂的投加量、吸附时间、初始磷浓度、环境温度以及共存离子),并对La-RCA吸附磷酸盐的吸附动力学、等温吸附过程以及吸附热力学过程进行拟合,通过FT-IR、XRD和XPS等表征对比了La-RCA和P-La-RCA理化性质的差异,得出其吸附机理;通过动态吸附试验,探讨了进水浓度、吸附柱高度以及进水流量对镧改性稻壳炭的除磷效果影响,并采用Thomas和BDST模型分析镧改性稻壳炭动态吸附特征,为其实际应用提供运行控制参数。本研究主要结论如下:(1)通过单因素试验得到最优制备条件为:碱碳比为0.5,活化温度为600℃,改性溶液p H为10,La:生物炭质量比为0.4。在此条件下La改性稻壳炭对20 mg/L的含磷溶液的吸附量可以达到49.69mg/g,相较于未改性稻壳炭(磷吸附量为3.50mg/g),磷吸附量提高了14.2倍,改性效果明显。通过对比RCA和La-RCA的SEM-EDS、BET、XRD、XPS、FT-IR等表征结果,证实镧成功负载到生物炭表面和部分孔道中,经过KOH浸渍和活化的稻壳比表面积增大102.5倍,为镧的负载提供较多的位点。(2)静态吸附磷试验中,p H=2时,由于镧的大量析出,La-RCA吸附量较低,p H在3-8范围内,吸附量处于平稳趋势,适应范围较广;La-RCA投加量的增加,其对磷的吸附量呈下降的趋势,但去除率呈现先增加后平稳的趋势,最佳投加量为0.4g/L时,磷酸盐基本被去除;La-RCA吸附磷酸盐的动力学过程符合伪二级吸附动力学模型和颗粒内扩散模型,表明La-RCA对磷酸盐吸附以化学吸附为主;等温吸附模型的拟合结果表明,Langmuir方程对La-RCA对磷酸盐的吸附过程拟合度更好,表明La-RCA对磷酸盐的吸附以单分子层吸附为主,温度为45℃时,La-RCA对磷酸盐的吸附量最高可达70.07 mg/g;通过吸附热力学分析得知La-RCA对磷酸盐的吸附属于自发吸热的反应;共存离子对La-RCA吸附磷酸盐影响的试验中,吸附影响的大小为CO32->HCO3->SO42->NO3->Cl-,但是5种阴离子对吸附磷能力的影响不大,说明La-RCA对磷酸盐的吸附选择性高;静态解吸试验中,采用Na OH对吸附磷酸盐之后的La-RCA进行解吸,经过5次解吸循环之后,解吸率从48%降至19%,这可能是因为脱附再生后的La-RCA存在不可逆转的吸附位点。(3)动态吸附试验中,探讨了进水磷浓度、吸附柱高以及进水流量对La-RCA吸附磷酸盐的影响。进水磷浓度增大会导致穿透时间和平衡时间越短、吸附容量越大、吸附剂的利用率越低,Thomas模型能较好的拟合La-RCA吸附过程,进水浓度为10 mg/L、20 mg/L和30 mg/L时,Thomas模型拟合吸附量分别为37.00 mg/g、47.57 mg/g和48.03 mg/g;吸附柱高度与穿透时间、平衡时间、吸附容量和去除率呈正相关关系;进水流量增大,穿透时间和平衡时间缩短,吸附容量和去除率下降,进水流量350μl/min、500μl/min和750μl/min时,Thomas模型拟合吸附容量分别为68.79 mg/g、47.57 mg/g和36.55 mg/g。
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