铁基纳米粒子@沙棘枝炭复合材料的制备及其废水处理性能研究

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活性炭吸附法,是一种广泛用于去除水中污染物的废水处理方法,但是成本较高的商用活性炭,增加了废水处理的运行成本。基于此,利用农业废弃生物质制备活性炭近年来得到了广泛关注。沙棘是一种落叶灌木,广泛分布在高海拔地区。然而,在沙棘果采摘过程中产生的沙棘枝条,因为随意丢弃和就地焚烧,已经引起了一系列的环境污染问题。沙棘枝条作为一个典型的富碳、廉价、资源量丰富的农业固体废物,是一种可持续生产的、天然来源的生物碳,适用于制备活性炭。但是单一的沙棘枝炭吸附无法达到低成本、高效率和无二次污染等目的。因此,在沙棘枝炭的表面引入铁基纳米粒子,增加比表面积提高吸附性能的同时,构建起非均相Fenton体系,实现吸附剂的循环再生,防止二次污染进一步降低成本,得到新型的复合吸附材料。将所制备的复合吸附材料应用于抗生素废水和染料废水处理领域,并考察了该复合材料的吸附和再生性能。具体研究内容如下:(1)以废弃沙棘枝条为基体,浸渍铁离子后,通过热裂解法制备了Fe3O4@沙棘枝炭复合吸附剂。SEM和EDS结果表明纳米Fe3O4颗粒粒径约为40 nm,在炭表面呈部分覆盖,单分散态。XRD表明生成的纳米Fe3O4为面心立方晶型,碳为无晶型。以强力霉素废水为处理对象,探讨了pH、吸附时间及初始浓度对吸附去除性能的影响,并对吸附过程进行了动力学、等温模型和热力学分析。结果表明复合吸附剂在碱性条件下表现出较好的吸附能力,吸附量随着时间的增加而增加,初始浓度越大,平衡吸附量也越大,但去除率却随之降低。吸附过程符合准二级动力学方程和Freundlich型等温模型,该吸附是自发的吸热过程,吸附机理包括化学吸附和物理吸附。通过构造非均相Fenton反应体系,表面富集有强力霉素的Fe3O4@沙棘枝炭吸附剂可实现有效再生,重复使用。(2)通过热裂解法经一步合成了Fe3O4@沙棘枝炭复合吸附剂。进行了XRD、SEM结构表征和磁性检测。结果表明沙棘枝炭呈无定形态,Fe3O4晶型为面心立方型。粒径约为41 nm,在沙棘枝炭表面呈孤岛状分布。微观负载Fe3O4纳米颗粒使得Fe3O4@沙棘枝炭复合吸附剂展示出了宏观磁性。运用BBD型响应面法,建立了Fe3O4@沙棘枝炭固定床吸附去除亚甲蓝固定床反应器的吸附模型,对其响应面进行了分析。结果表明响应面法建立的模型可准确描述吸附过程,且浓度、流速、pH、浓度平方和pH平方效应显著。随着流速的降低、浓度的降低和pH的升高,去除率增大。进行了再生实验,并探讨了再生机理,表明该铁系非均相Fenton氧化可有效实现吸附剂的再生重复利用。(3)在不使用交联剂的条件下,通过简单的低温水热法合成β-FeOOH@沙棘枝炭复合吸附剂。对其进行XRD、SEM和EDS表征,在表征的基础上,提出β-FeOOH@沙棘枝炭复合吸附剂的合成机理。在固定床反应器中处理抗生素废水,探讨了抗生素废水初始浓度(22-32 mg·L-1)、流速(1-3 mL·min-1)、床高(0.7-1.5 cm)和pH(2-11)对吸附去除性能的影响,并使用Thomas和Yoon-Nelson模型对吸附过程进行了拟合。此后对β-FeOOH@沙棘枝炭复合吸附剂进行了原位再生实验,在沙棘枝炭的吸附性能和β-FeOOH氧化性能的协同作用下,复合吸附剂有效再生。表明β-FeOOH@沙棘枝炭复合吸附剂在水处理领域是一种廉价有效的具有应用前景的新型材料。
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