改性水熱炭對(duì)鉛的吸附模型及機(jī)理分析

夏 宇，楊天學(xué)，朱能敏，李 東，陳則良，郎乾乾，劉振剛，焦文濤

（1.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 固體廢棄物處理與資源化實(shí)驗(yàn)室，北京100085；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120；4.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012；5.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部沼氣科學(xué)研究所 農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041）

譯者：夏 宇；審查：繆 ??；單位：中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司

1 研究亮點(diǎn)

*提供了一種過(guò)氧化氫與超聲協(xié)同改性方法及一種吸附機(jī)理的定量分析方法。

2 背景

因來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、制備簡(jiǎn)單，生物炭常被應(yīng)用于碳封存、土壤改良、水處理以及環(huán)境修復(fù)等環(huán)境領(lǐng)域。水熱炭化是制備生物炭的重要方式之一。相比于其他類型的生物炭，水熱型生物炭（簡(jiǎn)稱水熱炭）表面具有更豐富的極性含氧官能團(tuán)，在水體污染治理方面具有重大優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，關(guān)于水熱炭水環(huán)境污染治理的研究大多局限于對(duì)原生材料的研究，對(duì)于水熱炭改性和吸附強(qiáng)化的研究較少，且目前尚缺乏水熱炭對(duì)水體重金屬吸附的深入機(jī)理研究。因此，本研究采用經(jīng)濟(jì)高效的過(guò)氧化氫與超聲協(xié)同法制備吸附強(qiáng)化的改性水熱炭材料，并結(jié)合吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、化學(xué)分析方法和多種光譜技術(shù)，從量化層面揭示其對(duì)鉛的吸附作用機(jī)制。

3 研究方法

以松木木屑為原料，通過(guò)水熱炭化法制得原生水熱炭，再以原生水熱炭為原料，通過(guò)過(guò)氧化氫和超聲協(xié)同處理進(jìn)一步制得改性水熱炭。采用Langmiur、Freundlich、Temkin 吸附等溫線模型以及pseudo-firstorder、pseudo-second-order 吸附動(dòng)力學(xué)模型對(duì)水熱炭吸附鉛進(jìn)行擬合，研究吸附本質(zhì)規(guī)律，作為支撐吸附機(jī)理分析的重要依據(jù)。同時(shí)，通過(guò)模型擬合計(jì)算出吸附平衡時(shí)間及吸附效能等重要物理參數(shù)。結(jié)合吸附前后水熱炭的基團(tuán)結(jié)構(gòu)、晶相結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)合態(tài)，以及液相中可交換離子濃度、鉛離子形態(tài)等變化情況，揭示水熱炭對(duì)鉛的吸附作用機(jī)制。最后，通過(guò)官能團(tuán)屏蔽實(shí)驗(yàn)確認(rèn)各吸附作用力對(duì)鉛吸附貢獻(xiàn)的量化占比。

4 主要研究結(jié)果

過(guò)氧化氫與超聲協(xié)同處理極大地增加了水熱炭中極性含氧官能團(tuán)數(shù)量，羧基、內(nèi)酯基和酚羥基的含量分別提升了3.4 倍、2.1 倍和2.0 倍。相比于原生水熱炭，改性水熱炭的吸附能力提升了42 倍。

通過(guò)對(duì)比吸附前后液相與水熱炭變化情況，發(fā)現(xiàn)液相中可交換離子與吸附不存在相關(guān)性，吸附全過(guò)程中鉛始終以二價(jià)形態(tài)存在，吸附后沒(méi)有鉛的新晶像物生成，但存在鉛氧結(jié)合的新配合物。同時(shí)結(jié)合紅外光譜數(shù)據(jù)和O1s能譜數(shù)據(jù)，分析得出水熱炭對(duì)鉛的吸附作用機(jī)制主要為羧基、羥基、共軛π 電子的配位結(jié)合作用。通過(guò)將羧基、羥基等基團(tuán)屏蔽之后重新測(cè)定屏蔽后水熱炭對(duì)鉛的吸附能力，進(jìn)一步得出羧基、羥基以及鉛-π 非鍵作用力貢獻(xiàn)占比分別為62.12%、27.14%和10.74%。

5 結(jié)論與展望

本研究提供的過(guò)氧化氫與超聲協(xié)同改性方法，相比于其他熱處理法、元素?fù)诫s法、接枝改性法等，具有操作簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)高效且不產(chǎn)生二次污染等特點(diǎn)。該方法有效活化了水熱炭，極大地增強(qiáng)了其對(duì)于鉛的吸附去除能力，制得的改性水熱炭作為潛在水體重金屬吸附劑具有良好的應(yīng)用前景。本研究提供的吸附機(jī)理分析方法，實(shí)現(xiàn)了吸附機(jī)理研究從定性到定量的跨越，可為廣大科研工作者提供參考。