混合废料生物炭研制及对重金属去除效果

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以污泥和香蕉皮为原料,通过热解技术制备混合废料生物炭(MWBC)。分别采用正交试验、仪器分析(包括表面微观形貌、红外光谱、比表面积及孔径、Zeta电位以及pH值)以及吸附实验的方法对MWBC的制备、微观特征、对重金属离子(以Cu2+、Pb2+、Zn2+为例)的吸附效果进行了研究,探究了MWBC对Cu2+、Pb2+、Zn2+的吸附动力学和热力学,并结合MWBC的物理化学性质对MWBC的吸附机理进行了探究。MWBC的制备条件为:污泥和香蕉皮的质量配比为1:1,热解温度400℃,升温速率15℃·min-1,终温停留时间2 h。MWBC性征如下:(1)具有复杂的片层状和球形结构,表面疏松多孔,且存在较多的矿物成分;(2)含有丰富的表面官能团,例如烷烃、醇羟基、芳香族类官能团等;(3)比表面积为3.539 m2·g-1,平均孔径31.4 nm,多为中孔结构,且存在狭缝孔结构;(4)Zeta电位为-43.9 mV,对重金属离子有较强的静电吸附作用;(5)pH值为9.6,呈碱性。MWBC吸附效果如下:(1)一定的时间段内,随着时间的增加,MWBC对Cu2+、Pb2+、Zn2+的去除率均不断升高,在120min时的去除率分别为94.32%、79.86%、86.67%,吸附容量分别为37.51 mg·g-1、32.1 mg·g-1、34.8 mg·g-1,动力学分析表明MWBC对Cu2+、Pb2+、Zn2+的吸附行为符合伪二级动力学模型;(2)随重金属离子初始浓度的增加,MWBC对上述三种重金属离子的去除率均下降,但是对Cu2+、Pb2+的吸附容量上升,对Zn2+的吸附容量先上升再下降,吸附等温线分析表明MWBC对Cu2+、Pb2+、Zn2+的吸附行为符合Langmuir等温吸附模型,表明该吸附过程以单分子层吸附为主;(3)MWBC对Cu2+、Zn2+的吸附所对应的活化能分别为47.378 KJ·mol-1和61.814 KJ·mol-1,均大于40 KJ·mol-1,拟合结果表明MWBC对Cu2+、Zn2+的吸附行为属于化学吸附。综合以上,MWBC的吸附机理包括以下三个方面:(1)MWBC表面官能团的络合作用;(2)MWBC表面矿物质的共沉淀作用;(3)MWBC表面负电荷的静电吸附作用。
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