论文部分内容阅读
水体中的重金属Cr(Ⅵ)具有难降解性、高毒性和高致癌性，严重危害人类健康;头孢氨苄在水体中长期大量存在，会对生态系统和人类健康造成巨大的直接或潜在威胁。活性炭吸附法是一种简单有效的水处理方法。然而目前用活性炭吸附头孢氨苄的研究较少，其吸附机理尚不明确，活性炭的表面化学性质对于头孢氨苄吸附的影响未见研究;Cr(Ⅵ)在活性炭上的吸附量较低，对活性炭进行表面改性可以提高其吸附性能，但目前常用的强氧化剂改性的方法存在破坏孔结构、降低表面积、产生二次污染等问题，负载金属离子改性可以避免这些缺点，但这方面的研究还未见报道。
本研究以一种水生植物废弃物——菱角皮为原料，采用H3PO4活化法制备价格低廉的活性炭(TAC)。采用负载铁离子、硝酸氧化、过氧化氢氧化三种方法对菱角皮活性炭进行改性，考查改性对于活性炭的物理化学性质及其对Cr(Ⅵ)和头孢氨苄吸附性能的影响。
采用比表面积分析仪、XRD、FTIR、等电点滴定等方法对TAC和改性TAC的物理化学性质进行表征。结果显示菱角皮活性炭是一种无定形炭，比表面积高达1224m2/g，平均孔径为3.4nm，微孔和中孔结构发达;表面官能团以羧基、醇羟基和内酯基为主，等电点为6.20。采用三种方法进行改性后，活性炭依然为无定形状态。载铁改性后，活性炭的比表面积和总孔容略微下降，下降量主要来自中（大）孔的减少;活性炭表面的酸性官能团含量增多，等电点下降为3.77。采用HNO3和H2O2改性后，活性炭的总表面积和总孔容急剧下降，下降量主要来自中（大）孔的减少;活性炭表面官能团含量增多，表面酸性增强，等电点分别下降为2.55和3.61，HNO3改性还引进了含氮官能团。
载铁改性可以大幅提高活性炭对Cr(Ⅵ)的吸附性能。最佳改性条件为:铁盐FeSO4，负载浓度0.1molFe/L，干燥温度100℃。改性后Cr(Ⅵ)的最大吸附容量由49.0mg/g提高到68.5mg/g。TAC和载铁TAC对Cr(Ⅵ)的吸附等温线符合Langmuir和Freundlich等温模型，吸附动力学符合伪二级动力学模型;TAC和载铁TAC对Cr(Ⅵ)的吸附性能随着溶液pH的增大而急剧下降。机理研究发现，Cr(Ⅵ)在载铁TAC上的吸附可分为四步:活性炭表面快速的质子化或去质子化;Cr(Ⅵ)离子与表面官能团接触，部分Cr(Ⅵ)与铁形成内轨型配合物;Cr(Ⅵ)被一些官能团还原成Cr(Ⅲ)，同时活性炭表面被氧化，形成新的含氧官能团;Cr(Ⅲ)通过离子交换的方式被活性炭吸附。载铁改性后，活性炭对Cr(Ⅵ)的吸附性能提高的原因在于:负载的铁可与Cr(Ⅵ)络合，载铁引入了更多的酸性官能团和较多的吸附位点，并增加了活性炭表面的亲水性。
菱角皮活性炭对头孢氨苄的吸附性能良好，吸附容量可达416.7μmol/g。硝酸改性能提高TAC对头孢氨苄的吸附性能，过氧化氢改性却降低了其吸附性能。TAC和硝酸改性TAC对头孢氨苄的吸附等温线符合Freundlich等温模型，吸附动力学符合伪二级动力学模型;头孢氨苄的吸附性能随着溶液离子强度的增大而下降，随着溶液pH的增大先缓慢下降，后急剧下降。头孢氨苄主要以阳离子和两性离子的形式被活性炭吸附，其吸附机理包括静电吸引、憎水亲和及与表面官能团共价结合。活性炭表面的含氮基团能促进头孢氨苄的化学吸附。硝酸改性能提高活性炭对头孢氨苄的吸附性能，主要是因为改性增加了活性炭表面的含氧和含氮官能团的含量，且增强了其表面酸性。