牦牛粪生物炭制备及其去除水中砷和氟的研究

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砷和氟是西藏地热水中两种典型的高浓度元素,地热利用过程中尾水直接排放至地表会造成水体污染,进而影响人身健康。本文以西藏地区丰富的生物质资源牦牛粪为原料通过热解方法在不同温度下制备了一系列生物炭(BC500、BC600、BC700、BC800),同时用FeCl2对吸附效果最好的生物炭(BC600)进行改性制得改性生物炭(Fe-BC600),对制得的生物炭和改性生物炭对砷和氟的吸附效果进行了研究,结果表明:生物炭BC600在pH=7,温度为80℃,吸附剂添加量为10 g/L时,对砷的去除率为64.99%(初始砷浓度为4.0 mg/L);吸附剂添加量为4 g/L时,对氟的去除率为99.36%(初始氟浓度为19.0 mg/L)。改性生物炭Fe-BC600在pH=7,温度为80℃,吸附剂添加量为3 g/L时,对砷的去除率为99.44%;吸附剂添加量为4 g/L时,对氟的去除率为98.77%。与BC600相比,Fe-BC600对砷的饱和吸附量增加了6倍,对氟的饱和吸附量没变。对于生物炭BC600来说,准二级动力学方程更能较好地描述其对砷的吸附,准一级动力学更能较好地描述其对氟的吸附;不同温度下,其对砷的吸附过程均能用Langmuir和Freundlich两种吸附等温方程较好的拟合,对氟的吸附过程能用Freundlich吸附等温方程进行更好的拟合;其吸附砷和氟的反应均为吸热、自发反应。对于改性生物炭Fe-BC600来说,准二级动力学更适用于描述其对砷和氟的吸附过程;不同温度下其对砷和氟的吸附过程能用Freundlich等温方程很好的拟合;其吸附砷和氟的反应均为吸热、自发反应。在pH为7、温度为80℃、Fe-BC600的投加量为4 g/L时,同时吸附溶液中4.0 mg/L的砷和19.0 mg/L的氟后,氟的去除率为97.88%,砷的去除率为98.79%,与单独吸附时效果一致,在其它离子Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-的存在下,改性生物炭对砷和氟的吸附效果没有降低,去除率均在98%以上,表明这五种离子对砷和氟的吸附没有影响。将0.2 g吸附饱和的改性生物炭置于10 mL浓度为0.1 mol/L的HCl溶液中脱附40 min后,改性生物炭对砷和氟的去除率分别为97.33%和94.26%,在脱附-吸附5次后,其对砷的去除率仍在95%左右,对氟的去除率在70%左右,表明改性生物炭具有良好的再生性能。为了更好地了解吸附过程,对生物炭和改性生物炭分别进行了BET、FTIR、XRD、SEM、XRF表征。本研究为西藏地区利用本地资源解决当地环境问题提供了一条新思路。
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