改性生物炭對Cr的吸附特性研究

陳 壯，梁 媛，趙 奔，周 玲

(蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，蘇州 215009)

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

重鉻酸鉀(K2Cr2O7)、丙酮(C3H6O)、尿素(CH4N2O)、亞硝酸鈉(NaNO2)、氨水(NH3·H2O)、二苯碳酰二肼(C13H14N4O)和硝酸鐵(Fe(NO3)3)為分析純，購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，H2SO4、H3PO4、NaOH和HNO3為分析純，購于太倉市周氏化學(xué)有限公司.

1.2 改性生物炭的制備

生物炭制備： 將蘆葦秸稈清洗、粉碎后烘干，于馬弗爐內(nèi)500 ℃恒溫限氧熱解3 h，冷卻后得到黑色粉末狀生物炭，研磨過100目篩得蘆葦生物炭，標(biāo)記為BC500.

改性生物炭制備： 稱取10.0 g BC500于500 mL燒杯中，加入100 mL 0.3 mol·L-1硝酸鐵溶液，用0.5 mol·L-1NaOH和HNO3溶液將懸浮液pH調(diào)至7.0，保持pH穩(wěn)定2 h，用超聲波分散懸浮液2 h，25 ℃ 條件下避光靜置24 h后，用無水乙醇和超純水交替清洗3次去除雜質(zhì)，過濾后在75 ℃條件下過夜烘干、研磨后過100目篩，得鐵改性生物炭，標(biāo)記為FeBC500[11].

1.3 改性生物炭的表征

生物炭表面官能團(tuán)測定采用傅里葉紅外光譜儀(Thermo 6700，美國賽默飛)；生物炭比表面積、孔徑、孔容等測定采用自動比表面積測定儀(V-sorb 2800，北京金埃譜)；Zeta電位測定采用高分辨電位及粒度分析儀(Zeta PALS，美國布魯克海文)；生物炭形貌特征和元素組成采用掃描電子顯微鏡(FEG 250，美國FEI Quanta)；樣品表面元素結(jié)合能分析采用X射線光電子能譜儀(K-Alpha，美國賽默飛).

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.2 吸附動力學(xué)實(shí)驗(yàn)

采用準(zhǔn)一級動力學(xué)方程、準(zhǔn)二級動力學(xué)方程和顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程對吸附實(shí)驗(yàn)進(jìn)行擬合.

準(zhǔn)一級動力學(xué)方程：

(1)

準(zhǔn)二級動力學(xué)方程：

(2)

式中：Qt為t時(shí)刻吸附量，單位為mg·g-1；Qe為平衡時(shí)吸附量，單位為mg·g-1；k1為準(zhǔn)一級速率常數(shù)，單位為min-1；k2為準(zhǔn)二級速率常數(shù)，單位為g·mg-1·min-1.

顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程：

qt=kip·t0.5+c，

(3)

式中：kip是吸附質(zhì)在吸附劑中擴(kuò)散的速率常數(shù)，單位為mg·g-1·h-1；c表示邊界厚度常數(shù).

1.4.3 等溫吸附實(shí)驗(yàn)

Langmuir方程：

(4)

式中：Qe和Qm分別為平衡和最大飽和吸附量，單位為mg·g-1；ρe為平衡濃度，單位為mg·L-1；b為Langmuir常數(shù).

Freundlich方程：

qe=KFρe1/n.

(5)

式中：KF為Freundlich常數(shù)；1/n為Freundlich強(qiáng)度參數(shù).

2 結(jié)果與討論

2.1 蘆葦生物炭改性前后的表征

表1 生物炭改性前后比表面積、孔徑和孔的比體積Tab.1 The specific surface area, pore size and pore volume of biochar before and after modification

圖1 生物炭改性前后SEM照片和EDS譜圖Fig.1 SEM images and EDS spectrum of biochar before and after modification

圖2 生物炭改性前后的Zeta電位Fig.2 Zeta potential of biochar before and after modification

2.2 溶液pH對生物炭吸附Cr的影響

圖3 (a) pH對去除Cr的影響和(b) 吸附后溶液中Cr濃度Fig.3 (a) The effect of pH on the removal of Cr and (b) the concentration of Cr in the solution after adsorption

2.3 吸附動力學(xué)

表2 生物炭改性前后的吸附動力學(xué)參數(shù)Tab.2 Adsorption kinetic parameters of biochar before and after modification

圖4 生物炭改性前后的吸附動力學(xué)擬合結(jié)果Fig.4 Fitting results of adsorption kinetics of biochar before and after modification

圖5 顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型圖Fig.5 Intra-particle diffusion model

表3 吸附Cr內(nèi)擴(kuò)散模型參數(shù)Tab.3 The internal diffusion model parameters of adsorbed Cr

2.4 吸附等溫線

圖6 生物炭改性前后對Cr的等溫吸附曲線Fig.6 The isotherm curve of Cr adsorption by biochar before and after modification

表4 生物炭改性前后對Cr等溫吸附擬合參數(shù)Tab.4 Fitting parameters of Cr isotherm adsorption before and after biochar modification

2.5 機(jī)理探討

2.5.1 吸附作用

圖7 生物炭改性前后吸附Cr的FT-IR圖Fig.7 FT-IR diagram of Cr adsorption by biochar before and after modification

2.5.2 氧化還原作用

圖8 FeBC500吸附Cr前后的XPS譜圖Fig.8 XPS spectrum of FeBC500 before and after Cr adsorption

Fe3++biochar→Fe2+，

(6)

(7)

3Fe2++HCrO4-+7H+→3Fe3++4H2O+Cr3+，

(8)

(1-x)Fe3++xCr3++3H2O→CrxFe1-x(OH)3+3H+，

(9)

(1-x)Fe3++xCr3++3H2O→CrxFe1-xOOH+3H+.

(10)

3 結(jié) 論