改性生物炭对磷酸盐和六价铬的吸附特性研究

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地表水中的磷酸盐(phosphate)和六价铬(hexavalent chromium)超标会严重危害环境和人体健康。吸附法是去除磷酸盐和六价铬的常用方法,但未改性生物炭的吸附效果通常很差。本论文以废弃的花生壳为原料,分别采用硅酸钠浸渍改性和硝酸铁浸渍改性的方法制备出硅改性生物炭(Si-PSB)和铁改性生物炭(Fe-PSB)。探究了Si-PSB对磷酸盐的吸附特性和吸附机理,研究了Fe-PSB对磷酸盐和六价铬的吸附特性和吸附机理差异,并进一步探究了二元体系中Fe-PSB对二者吸附特性和吸附机理的变化。Si-PSB对磷酸盐的吸附量是改性前的3.9倍。Si-PSB中引入的二氧化硅增强了生物炭上碳酸钙中Ca2+的反应活性,提高了生物炭上金属钙离子的利用程度。随着p H值的增大,未改性生物炭(PSB)和Si-PSB对磷酸盐的吸附量均呈先下降后上升的趋势,强酸强碱环境中,Si-PSB对磷酸盐均具有良好的吸附效果。p H值为3和12时,PSB对磷酸盐的吸附量分别为0.9 mg/g和1.1 mg/g,而Si-PSB对磷酸盐的吸附量分别为2.9 mg/g和3.0 mg/g。PSB和Si-PSB对磷酸盐的吸附均更符合准二级动力学模型,等温吸附结果采用Langmuir模型拟合度更高,升高温度有利于吸附进行。溶液中NH4+对PSB和Si-PSB吸附磷酸盐有轻微的促进作用,而腐殖酸(HA)的存在则会抑制对磷酸盐的吸附。结合吸附实验和表征结果可知,与PSB相比,Si-PSB对磷酸盐的化学沉淀作用更强。Fe-PSB吸附磷酸盐和六价铬的最佳pH变化范围分别为2-6和2-5,吸附量分别维持在5.0 mg/g和8.2 mg/g左右。Fe-PSB对磷酸盐和六价铬的吸附均更符合准二级动力学模型和Langmiur模型。结合吸附实验和表征结果可知,一元体系中,Fe-PSB对磷酸盐的吸附机理主要为静电相互作用和配位体交换,对六价铬的吸附机理主要为静电相互作用、氧化还原反应和配位络合作用。二元体系中,Fe-PSB无法同时实现对磷酸盐和六价铬的有利吸附,六价铬对磷酸盐的吸附影响不大,但磷酸盐却显著抑制六价铬的吸附,此时,六价铬的吸附等温线更符合Freundlich模型。本论文通过对生物炭改性方法的探索和对不同体系中生物炭吸附特性变化的研究,以期为生物炭的改性和生物炭在实际中的应用提供参考。
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