纳米二氧化钛负载水葫芦基生物炭的制备及其对亚甲基蓝的吸附性能研究.pdf

纳米二氧化钛负载水葫芦基生物炭的制备及其对亚甲基蓝的吸附性能研究孟文超欧阳泽郭园萍赵梦轩余军霞池汝安(武汉工程大学 化学与环境工程学院湖北 武汉)摘 要:通过原位沉淀法制备了二氧化钛负载水葫芦基生物炭吸附剂并探讨了浓度、吸附时间、酸度、共存离子等因素对其吸附亚甲基蓝的影响以及吸附剂的降解循环再生性能 和 分析结果表明纳米二氧化钛成功负载在生物炭表面所制备的/对亚甲基蓝的吸附符合 模型最大吸附容量为 吸附为快速吸附过程可在 内完成符合准二级动力学模型 降解循环再生实验结果表明二氧化钛负载水葫芦基生物炭具有良好的循环使用性在 次循环实验后依然保持 的吸附活性可望用于染料废水的处理关键词:原位沉淀生物炭吸附亚甲基蓝纳米二氧化钛中图分类号:文献标识码:文章编号:()梁维亮屈梅芳赖珍权等.广西地区一次强雷暴天气过程雷达特征及环境场分析.气象与环境学报():.唐延婧胡跃文谢清霞.滇黔准静止锋大暴雨的锋面特征及其对 的影响.气象科技():.李英舒智.云南春季冰雹、大风天气的中尺度扰动特征.气象():.马晓刚.年 月我国南方罕见冰冻雨雪灾害性天气诊断分析.气象与环境学报():.彭艳青张昆王起唤等.怀化市一次大范围暴雪天气成因分析.贵州科学():.张腾飞鲁亚斌张杰等.一次低纬高原地区大到暴雪天气过程的诊断分析.高原气象():.赵荻.昆明准静止锋的生成机制研究.昆明:云南大学.张亚男.昆明准静止锋进退及维持诊断分析.昆明:云南大学.张亚男段旭.年初昆明准静止锋生消及移动成因分析.云南大学学报(自然科学版)():.杜正静丁治英张书余.年 月云贵静止锋在演变过程中的结构及大气环流特征分析.热带气象学报():.李英.伴随强天气的昆明准静止锋结构和动力学诊断.南京:南京大学.杜小玲彭芳武文辉.贵州冻雨频发地带分布特征及成因分析.气象():.杜小玲高守亭彭芳.年初贵州持续低温雨雪冰冻天气成因研究.大气科学():.李刚甘文强谢清霞.贵州最高气温预报方法研究.中国农学通报():.邓苏罗旋冉先果等.铜仁市气象近 年时空变化特征分析.贵州科学():.李刚杨秀庄刘彦华等.基于 的贵州最高气温预报方法研究.干旱气象():.收稿日期:修回日期:基金项目:中国气象局预报员专项()国家自然科学 基 金()中 国 气 象 局 公 服 中 心 创 新 基 金 项 目()毕节市气象局登记制项目()作者简介:李 刚()男正高级工程师硕士研究方向:主要从事中短期预报及数值预报解释应用研究地理、环境科学/第 卷 ():./.:引言食品、纺织、皮革等工业生产中会产生大量含有染料的废水这些难以降解的染料如果直接排放会对水源和土壤造成严重的污染也会造成许多健康问题 染料处理常见的方法有吸附法、生物法、电化学法和高级氧化法等 吸附法因为其简便、高效、经济、环保等优点在染料处理中有广泛的应用生物炭是以废弃的生物质为前体在低氧或无氧环境下低温热解制备得到的碳材料 具有高比表面积、机械强度和丰富表面官能团的生物炭是作为吸附剂或吸附剂载体的优良材料 相比于其他生物质水葫芦拥有更高的孔径和比表面积以水葫芦为前体制备生物炭不仅可以用于染料处理同时也可以减少水葫芦带来的生态环境问题 然而纯水葫芦生物炭吸附量较小循环再生困难等限制其在染料处理中的应用因此需要制备负载型生物炭以增强其对染料的吸附和循环使用性能本文以水葫芦为原料通过高温碳化得到生物炭并采用原位沉淀法制备得到了二氧化钛负载生物炭吸附剂 在静态吸附实验中研究了二氧化钛负载生物炭对亚甲基蓝在不同 值下的等温吸附和动力学吸附以及干扰离子对吸附性能的影响和吸附剂的降解循环再生性能有望将这种负载型生物炭吸附剂应用于含亚甲基蓝废水的处理 实验部分.实验试剂试剂:水葫芦(广东)、硫酸钛、无水乙醇、亚甲基蓝等分析纯试剂均购于国药集团化学试剂有限公司.钛负载水葫芦基生物炭的制备.水葫芦基生物炭的制备将.的水葫芦依次加入到 的 溶液、去离子水和 无水乙醇于室温下各搅拌 后干燥备用 于氮气氛围下管式炉中采用程序升温的方式以 /从 升温至 后煅烧 所得固体采用 溶液于 下搅拌洗涤 后用去离子水洗至中性得 活性炭.钛负载水葫芦基生物炭的制备称取不同质量的()溶于 的 中再加入 后继续搅拌 以 调节溶液至 而后继续搅拌 将所得固体以去离子水洗涤干燥得/其中 为()的物质的量().静态吸附静态吸附实验均在水浴恒温振荡器中进行贵 州 科 学():()称取.吸附剂于.不同浓度(不同 值)的亚甲基蓝溶液中吸附 后采用紫外分光光度法测定亚甲基蓝的浓度并通过公式()和公式()分别计算亚甲基蓝的平衡吸附量和去除率()()()其中:为吸附溶液的体积()和 分别为吸附前后亚甲基蓝的浓度()为吸附剂质量()为亚甲基蓝的去除率为吸附前亚甲基蓝的吸光度 为吸附平衡后亚甲基蓝的吸光度.等温吸附实验称取.吸附剂于.初始浓度为、和 的亚甲基蓝溶液中吸附 后测定亚甲基蓝的浓度并计算其平衡吸附量.酸度对亚甲基蓝吸附的影响称取.吸附剂于.初始 值分别为、的亚甲基蓝溶液中吸附 后测定亚甲基蓝的浓度并计算其平衡吸附量.吸附动力学实验称取.吸附剂于.初始 值分别为、的 的亚甲基蓝溶液中定时取样并测定亚甲基蓝的浓度计算对应时间的吸附量.干扰离子对亚甲基蓝吸附的影响称取.吸附剂于.含不同浓度干扰离子()的亚甲基蓝溶液中吸附 后测定亚甲基蓝的浓度并计算其平衡吸附量.吸附剂用量的影响称取一定质量()的吸附剂于.亚甲基蓝溶液中吸附 后测定亚甲基蓝的浓度并计算其平衡吸附量.吸附剂的循环再生性能实验称取.吸附剂于 亚甲基蓝溶液中吸附 后离心将所得吸附剂加入到 .中再生 再生的吸附剂继续用于下一轮吸附计算吸附剂在 次再生过程中的吸附量 结果与讨论.钛负载水葫芦基生物炭的制备图 为水葫芦生物炭以及不同钛负载量的 图 由图 可以看出高温煅烧后得到的水葫芦基生物炭呈奶酪状多孔结构孔径分布在.之间表明这种具有高比表面积的生物炭可以用于吸附剂制备 当钛负载量为 时生物炭表面开始出现白色纳米颗粒且分布较为均匀 而当钛负载量增加至 和 时大量纳米颗粒堆积在生物炭表面呈现出明显的团聚现象从图 可以看出水葫芦基生物炭的 在 以及 区间有两个宽峰分别对应()和()晶面可归属为石墨相碳的两个特征峰但由于结晶程度不高所以属于无定形碳材料生物炭在负载钛后/的衍射峰出现在 和 左右且呈现出宽峰可归属于无定形 的特征峰B8)4UIC5J8)#$D5J8)#$E5J8)#$图 扫描电镜图图 为水葫芦生物炭和/的红外色谱图 由图 可以看出纯生物炭的红外吸收峰出现在 、和 处其中 处的吸收峰可归属于 键地理、环境科学/第 卷8)4UI5J8)#$5J8)#$5J8)#$?EDHSFF*O UFO T JUZ B V 图 以及不同纳米二氧化钛负载量的/的 射线衍射图谱的伸缩振动 处的吸收峰可归属于 的伸缩振动而 处的吸收峰可归属于 键的吸收峰 与纯生物炭相比/的红外谱图中多了两处 和 的吸收峰其中 处的吸收峰可归属于钛氧化物的吸收峰而 处的吸收峰可归属于 的伸缩振动峰因此可以认为二氧化钛被成功地负载在生物炭上8)4UI5J8)#$8BWFOVNCFSDN图 和/.的红外色谱图图 为水葫芦生物炭、/以及吸附亚甲基蓝后回收/的面扫能谱图 结果表明水葫芦生物炭主要元素组成为 和 对应的含量分别为 和 /中、和 元素含量分别为 、和 且从图中可以看出 元素在/中分布较为均匀 而在吸附亚甲基蓝后回收的/样品中含有 的 元素由此可以认为亚甲基蓝成功地吸附在/上.吸附实验.浓度对亚甲基蓝吸附的影响$05J4BCD图 ()、/()以及/()的面扫能谱图不同负载量的/对亚甲基蓝的等温吸附曲线如图 所示 从图 中可以得出/对亚甲基蓝的吸附容量随浓度的提高而逐渐增加至达到饱和吸附/、/和/对亚甲基蓝的饱和吸附量分别为 、为进一步探究不同负载量的/对亚甲基蓝的吸附行为采用、和 三种吸附模型(公式()、()、()对吸附实验数据进行拟合 ()/()()()上述公式中为吸附剂对亚甲基蓝的吸附量()为亚甲基蓝的饱和吸附量()为等温吸附常数()为常数(/)为 常数与吸附剂和吸附质之间的吸附强度有关 为理想气体常数()为开氏温度()为 常数()为与平衡常数相对应的最大结合能()为亚甲基蓝吸附平衡时对应的浓度()拟合结果如表 所示由表中的相关系数 可以看出相比于 和 两种模型 模型的拟合效果更好表明/对亚甲基蓝的吸附过程是以单分子层吸附为主的化学吸附 当钛负载量从 增加至 时亚甲基蓝的饱和吸附量从 提高到 表明在低负载量下钛的负载量越高/对亚甲基蓝的饱和吸附量越高 而当负载量增加至 时亚甲基蓝的饱和吸附量开始降低表明过高的钛负载量可能在生物炭表面产生贵 州 科 学():堆积或团聚现象不利于/对亚甲基蓝的吸附这与 的结果分析一致因此选择/作为吸附剂继续探讨酸度对亚甲基蓝的吸附影响5J8)#$5J8)#$5J8)#$FNHe-E T P S Q U JP O D B Q B D JU Z NHeH图 不同钛负载量/对亚甲基蓝的等温吸附表 和 模型拟合结果()/()/()/()/()/()/().酸度对亚甲基蓝吸附的影响图 为/.在 值分别为、的亚甲基蓝溶液的等温吸附曲线表 为采用三种吸附模型对不同 值下/.对亚甲基蓝的等温吸附数据拟合结果 由图 可以看出随着酸度逐渐降低/.对亚甲基蓝的饱和吸附量逐渐增加当亚甲基蓝溶液呈中性至弱碱性时饱和吸附量则逐渐趋于平衡 由于亚甲基蓝为阳离子染料表明当酸度较高时吸附体系中的/.表面带正电荷不利于其对亚甲基蓝的吸附而当体系的值高于/.的等电$FNHe-E T P S QU J P O D B QB D J U Z NHeHQ)Q)Q)Q)图 不同 下/.对亚甲基蓝的等温吸附图点时其表面的负电荷可以与带正电荷的亚甲基蓝发生静电吸附 同时亚甲基蓝溶液在配制后测得的 值介于 之间因此在后续的探究中使用的亚甲基蓝溶液均未调节其 值表 不同 下 和 模型拟合结果/()/()/()/()/()/().时间对亚甲基蓝吸附的影响图 为不同 值下/.对亚甲基蓝的吸附动力学曲线从图 可以看出在吸附前 /.对亚甲基蓝的吸附已经高于而在 内不同 体系均达到吸附平衡为进一步探究其吸附机理采用 模型和 模型对实验数据进行拟合分析(公式()和公式()()()()其中:为准一级模型吸附的速率常数单位为为亚甲基蓝的吸附量单位为 是在时间为()时的吸附量单位为 是准二级模型吸附的速率常数单位为 5JNFNJO E T P S QU JP O D B QB D JU Z NH eH Q)Q)Q)Q)图 不同 值下/.对亚甲基蓝的吸附动力学曲线拟合结果如表 所示 由表 可以得出 模型的相关系数比 地理、环境科学/第 卷 模型的相关系数高可以更好地描述不同 值下的吸附动力学行为进一步表明/.对亚甲基蓝的吸附过程为由活性位点控制的吸附速率的化学吸附 而且在不同 值体系中使用 模型拟合得到的平衡吸附量 和等温吸附实验得到的 结果相吻合表 /.对亚甲基蓝的吸附动力学拟合结果/()/()/().共存干扰离子对亚甲基蓝吸附的影响染料废水的化学组成复杂通常含有大量的阴离子(、和 等)和阳离子(、等)这些共存离子会影响吸附剂对亚甲基蓝的吸附而这种影响可能随着共存离子的浓度的变化而变化因此以上述干扰离子为研究对象探究了不同初始浓度下共存阴、阳离子对亚甲基蓝吸附的影响 由图 可以看出相比于阴离子共存的阳离子对/.吸附亚甲基蓝的影响更大当阳离子浓度从 增加至 后亚甲基蓝的吸附量降低了 由此推测在水溶液中干扰阳离子和亚甲基蓝在吸附剂表面发生竞争吸附干扰离子浓度越高其在吸附剂表面占据的活性位点更多因此亚甲基蓝的吸附量逐渐降低/B$*/040,$BUJPODPODFOUSBUJPONHe-BCOJPODPODFOUSBUJPONHe-E T PSQ UJPODBQ BDJUZ NHeHE T PSQ UJPODBQ BDJUZ NHeH图 共存阳离子()和共存阴离子()对亚甲基蓝吸附的影响.吸附剂用量及其循环再生性能/用量对亚甲基蓝吸附的影响以及循环使用性能结果如图 和图 所示 当吸附剂用量为 、和 时对应的亚甲甲蓝去除率分别为 、和 而在循环实验中采用 除去吸附剂表面的亚甲基蓝后继续投入使用 在循环 次后/对亚甲基蓝的饱和吸附量仅由 降低至 吸附剂活性依然保持在 以上3 FNPW BM FG G J D J FOD Z ETPSCFOUEPTBHFNH图 /.用量对亚甲基蓝去除率的影响$ZDMFOVNCFS E T P SQ U J P ODB Q B DJ U Z NH eH 图 /.的循环再生性能 结论)采用原位沉淀法制备了纳米二氧化钛负载水葫芦基生物炭通过 和扫能谱结果表明纳米二氧化钛成功地负载在水葫芦基生物炭上)等温吸附和动力学吸附表明/.对亚甲基蓝的饱和吸附量为.吸附过程在 内可以达到平衡且吸附过程符合 等温吸附模型和准二级动力学模型)酸度影响实验表明/.对亚甲基蓝的吸附最佳 值为)在循环使用 次后/.依然可以保持 吸附活性所制备的吸附剂可用于含亚甲基蓝的废水处理贵 州 科 学():参考文献【】.:.:.:.().:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.().():.().:.(/):.:.():.:.:.():.:.:.收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金面上项目(.)湖北省教育厅创新团队项目(.)作者简介:孟文超()男在读硕士研究方向:吸附剂的制备及废水处理研究通讯作者:余军霞博士教授地理、环境科学/第 卷