活性炭负载硅酸钙的制备及其对重金属—有机物复合污染物的吸附性能研究

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随着工农业生产的快速发展,水体中的污染成分也越来越复杂,并且各组分之间发生相互作用,形成复合污染,使得废水的治理难度加大。与传统处理方法相比,吸附法因简便易行,处理成本较低,适用于各类废水的处理,而采用该方法取得良好处理效果和经济效益的关键,是选择一种性能优良的高效吸附剂。本文以活性炭(AC)、硝酸钙和硅酸钠为原料,通过改变加入的活性炭的质量,制备了几种不同比例的活性炭负载硅酸钙(CS/AC)复合材料,考察比较了不同比例复合材料对重金属-有机物复合污染物的吸附性能并与介孔硅酸钙(CS)和活性炭进行比较;探究了复合材料对多种复合污染物吸附过程的吸附热力学和动力学,初步探讨了吸附机制。(1)以活性炭、四水硝酸钙和九水硅酸钠为原料,制备了不同比例(1:1、1:2.5、1:4、1:7、1:10)的活性炭负载硅酸钙复合材料,并采用红外光谱、X射线衍射、扫描电镜、BET表面分析、透射电镜和能谱等分析方法对其形貌、结构和组成等进行了表征。结果表明,复合材料的制备过程中虽未添加模板剂,但负载在活性炭上的硅酸钙却与前期模板法合成的介孔硅酸钙拥有同样的花朵状形貌,且孔道丰富。BET分析结果表明,复合材料中硅酸钙所占比重越大,比表面积则越小,其中CS/AC(1:1)的比表面积最小,为490.21 m2/g,CS/AC(1:10)的比表面积最大,为829.47 m2/g。(2)以上述各比例的复合材料为吸附剂,分别考察了各吸附剂对Cu2+、Zn2+和甲基橙(MO)溶液以及Cu2+-Zn2+-MO模拟复合污染溶液的吸附效果。结果表明,复合材料CS/AC中CS的占比越大,对重金属离子的吸附效果越好,对染料分子的吸附效果越差,说明增大CS的负载量,能有效提高复合材料对重金属离子的吸附能力;对比单组份溶液和混合溶液的吸附情况可知,CS/AC对混合溶液中重金属离子的吸附量比单独的重金属离子吸附量小,而对MO的吸附量比单独时有所增加,说明混合溶液中MO对重金属的吸附有抑制作用,而重金属离子的存在则能促进MO的吸附。(3)以介孔硅酸钙、活性炭和CS/AC(1:4)为吸附剂,分别考察了三种吸附剂的投加量对Cu2+-MO、Cu2+-MB、Zn2+-MO、Zn2+-MB、Cd2+-MO、Cd2+-MB模拟复合污染溶液吸附效果的影响,并比较了三种吸附剂的吸附性能大小。结果表明,硅酸钙虽能有效吸附混合溶液中的重金属离子,但对染料分子的去除能力欠佳;活性炭对混合溶液中的染料分子吸附效果很好,但对重金属离子的去除能力不足;而复合材料则对混合溶液中各组分都表现出了良好的吸附能力,因此有望在复合污染的处理方面有长足的发展。(4)以CS/AC(1:4)为吸附剂,系统考察了吸附剂投加量、吸附温度、吸附时间对Cu2+-MO、Cu2+-MB、Zn2+-MO、Cd2+-MO、Cd2+-MB、Pb2+-MO和Pb2+-MB模拟复合污染溶液的吸附性能影响。结果表明,随着吸附剂投加量的增加,混合溶液中各组分的吸附率均不断增加,染料分子在25、35 mg左右被完全吸附,重金属离子的吸附率大小为Pb2+>Cu2+>Cd2+>Zn2+。随着温度的升高,混合溶液中各组分的吸附量有的会呈现相反的变化,有的变化趋势则一致,也有一些受温度变化不明显,采用Langmuir、Freundlich、Redlich-Peterson和Temkin四种等温吸附模型对实验数据进行拟合,结果也不尽相同,说明不同种重金属离子和染料分子之间的相互作用不同,且吸附过程较复杂。动力学的探究结果表明,CS/AC对混合溶液的吸附较迅速,在100 min左右时即可达吸附平衡,且吸附过程均符合准二级动力学模型。本课题着眼于复合材料对重金属-有机物复合污染物的吸附性能研究,为材料的实际应用提供了大量的数据基础,是一类极具开发价值的新型吸附剂。
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