【摘 要】
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废报纸是一种常见的生活废弃物,其富含大量的纤维素、半纤维素和矿物质元素,是一种潜在的生物炭原材料。重金属污染对生态环境的影响越发严重,而生物炭因其独特的理化性质在水体重金属处理方面具有良好的效果。本文以废报纸为原料,在N2氛围保护下制备了400℃、500℃、600℃三种不同热解温度的废报纸基生物炭吸附材料,分别标记为WBC-400、WBC-500、WBC-600。通过调节溶液初始pH、Cu2+初始
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废报纸是一种常见的生活废弃物,其富含大量的纤维素、半纤维素和矿物质元素,是一种潜在的生物炭原材料。重金属污染对生态环境的影响越发严重,而生物炭因其独特的理化性质在水体重金属处理方面具有良好的效果。本文以废报纸为原料,在N2氛围保护下制备了400℃、500℃、600℃三种不同热解温度的废报纸基生物炭吸附材料,分别标记为WBC-400、WBC-500、WBC-600。通过调节溶液初始pH、Cu2+初始浓度、吸附时间、吸附温度等反应条件进行批量吸附试验,探究废报纸基生物炭对Cu2+的吸附性能和吸附机制;并采用傅里叶红外光谱、X射线衍射仪、比表面积分析仪等分析方法对吸附前后的废报纸基生物炭进行表征。结果如下:(1)不同热解温度所得废报纸基生物炭的理化性质具有差异性。WBC-600的比表面积远大于WBC-500和WBC-400,分别为 211.3 m2/g、28.7 m2/g、8.25 m2/g;WBC-600的C含量和pH值高于WBC-500和WBC-400,C含量分别为63.8%、62.6%、58.9%,pH值为10.01、9.66、8.30;同时,WBC-600的Ca含量和灰分含量也高于WBC-500和WBC-400,Ca元素含量分别为30.05 mg/g、22.46 mg/g、17.63 mg/g,灰分含量分别为25.11%、22.93%、20.79%;WBC-600的平均孔径小于WBC-500和WBC-400,分别为1.425 nm、1.614 nm、1.753 nm,所以高温裂解更易形成孔径发达的微孔炭。(2)不同热解温度所得的废报纸基生物炭对Cu2+吸附性能也具有差异性。当pH=5时,WBC-600对铜离子的最大吸附容量为138 mg/g,WBC-500和WBC-400的最大吸附量分别为115 mg/g和107 mg/g。(3)废报纸基生物炭对铜离子的吸附过程符合伪二级动力学模型;粒子内扩散模型的结果表明曲线并未穿过坐标原点,可知粒子内扩散不是唯一的控速步骤,液膜扩散也控制着吸附速率,且Ki1明显大于Ki2,说明液膜扩散是主要的控速步骤。(4)废报纸基生物炭的等温吸附模型符合Langmuir模型,WBC-600、WBC-500和WBC-400的R2值分别为0.9999、0.9990、0.9995.,说明吸附发生在生物炭表面的特定位点。(5)此外,对该吸附过程的热力学方程进行了模拟,WBC-600、WBC-500和WBC-400三种生物炭的ΔG°均为负值,而ΔH°和ΔS°为正值,表明此吸附过程为自发反应、吸热且吸附后固液表面的混乱度增加。(6)废报纸基生物炭对Cu2+的吸附机制包括孔径对Cu2+的物理吸附;表面含氧官能团对Cu2+的络合作用;Cu(OH)2、Cu(OH)、CuO等氧化物的沉淀作用;生物炭表面无机矿物质元素的离子交换作用,如Ca2+、Mg2+、Si4+、Mn2+、Fe2+和Al3+等和Cu2+发生离子交换。共同组成了废报纸基生物炭的吸附机制。
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