蔣燕舒,李必冬,楊珺杰,李道霞,李婧,王健,劉達(dá)玉,肖龍泉
(1.四川省食品檢驗(yàn)研究院,四川 成都 611731;2.成都大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院,四川 成都 610106)
隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅猛發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的不斷提高,水環(huán)境中的重金屬污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻,其中,Cr(Ⅵ)對(duì)水的污染尤為突出,現(xiàn)已成為水環(huán)境治理中重點(diǎn)防治污染物之一[1-3]。在處理水環(huán)境中鉻的常用方法中[4-8],吸附法因其工藝簡(jiǎn)單、成本較低,適用于低濃度廢水,可回收重金屬等優(yōu)點(diǎn),而備受關(guān)注。生物炭來(lái)源廣泛、成本低廉、吸附性能良好,被視為重金屬?gòu)U水處理領(lǐng)域中一種高效、價(jià)廉的吸附劑材料[9]。本研究首次以板栗刺殼為原料,高鐵酸鉀為活化劑,一步炭化活化制備得到板栗刺殼生物炭,并對(duì)其形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征、研究對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附行為及吸附機(jī)理,以期為生物炭對(duì)廢水中Cr(Ⅵ)的吸附應(yīng)用提供理論依據(jù)。
板栗刺殼,取自成都周邊山區(qū);高鐵酸鉀(K2FeO4)、硫酸(H2SO4)、磷酸(H3PO4)、鹽酸(HCl)、乙醇(95%)、丙酮(CH3COCH3)、重鉻酸鉀(K2Cr2O7)、二苯基碳酰二肼(C13H14N4O)均為分析純;實(shí)驗(yàn)用水均為超純水。
BJ-800A型多功能粉碎機(jī);101電熱鼓風(fēng)干燥箱;HZ85-2型磁力攪拌器;KH3200V型超聲波清洗儀;OTL1200型管式爐;THZ-82型水浴恒溫振蕩器;DX-2700B X-射線衍射儀;Escalab 250Xi型X射線能譜儀;Inspect F50型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡;Spectrum Two型紅外光譜儀;UV-5200型紫外分光光度計(jì)。
稱取一定量的K2Cr2O7溶解于超純水中,濃度為10 mg/L。
板栗刺殼用超純水將其洗凈后置于100 ℃烘箱中烘干至恒重,粉碎后過(guò)60目篩,得到紅棕色的板栗刺殼粉。將一定量板栗刺殼粉置于1 mol/L H2SO4中浸泡24 h,清水洗滌至中性后,80 ℃烘箱中烘干,得到酸化的板栗刺殼粉。隨后將其置于400 ℃管式爐中,氬氣保護(hù)下煅燒2 h,得到預(yù)碳化的板栗刺殼生物炭。將1.0 g預(yù)碳化的板栗刺殼生物炭超聲分散于90 mL 0.1 mol/L的 K2FeO4溶液中,磁力攪拌8 h以上,100 ℃烘箱中烘干后,氬氣保護(hù)下,于800 ℃管式爐中繼續(xù)炭化活化2 h,抽濾,依次用1 mol/L HCl、超純水洗滌至中性后,置于80 ℃烘箱中干燥至恒重,密封置于保干器中干燥備用。
利用X射線衍射(XRD)進(jìn)行物相分析,使用銅靶(λ=0.154 18 nm),工作電壓30.0 kV,工作電流20.0 mA,掃描角度5~80°,步長(zhǎng)0.03(°)/min;傅里葉紅外光譜(FTIR)用于表征材料表面的特征官能團(tuán),樣品以KBr壓片;X射線能譜(XPS)表征材料表面的元素形態(tài);場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)觀察樣品的表面形貌。
1.5.1 實(shí)驗(yàn)方案及步驟 本研究采用二苯碳酰二肼紫外分光光度法[10]進(jìn)行Cr(Ⅵ)含量的測(cè)定,Cr(Ⅵ)的吸附量和去除率分別按照式(1)和式(2)計(jì)算。
Qt=(C0-Ct)V/m
(1)
ER=(C0-Ct)/C0×100%
(2)
式中Qt——t時(shí)刻吸附劑的吸附量,mg/g;
C0——Cr(Ⅵ)溶液初始濃度,mg/L;
Ct——t時(shí)刻溶液中Cr(Ⅵ)濃度,mg/L;
V——Cr(Ⅵ)溶液體積,L;
m——生物炭的質(zhì)量,g;
ER——去除率,%。
1.5.2 Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 使用二苯碳酰二肼分光光度法,9支50 mL比色管中分別加入0,0.2,0.5,1.0,2.0,4.0,6.0,8.0,10.0 mL的0.10 mg/L的鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液,水稀釋至標(biāo)線,再依次加入0.5 mL 1∶1的硫酸和0.5 mL 1∶1的磷酸溶液,混合均勻后加入 2 mL 濃度為2.0 g/L的二苯碳酰二肼顯色劑,顯色一定時(shí)間后,分別于540 nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度,并做空白校正,根據(jù)作出的曲線計(jì)算回歸方程:y=0.883 5x-0.000 4,R2=0.999 7。
1.5.3 pH優(yōu)化實(shí)驗(yàn) 吸附劑投加量均為4.0 g/L,用1 mol/L HCl將模擬廢水pH調(diào)為1.0,2.0,2.5,3.0,4.0,5.0及6.0,Cr(Ⅵ)濃度為10 mg/L,30 ℃溫度下振蕩吸附180 min,過(guò)濾,取上清液,經(jīng)二苯碳酰二肼顯色后測(cè)定吸光度。
1.5.4 吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn) 吸附劑投加量均為 4.0 g/L,模擬廢水中Cr(Ⅵ)濃度為10 mg/L,pH為2.5,吸附溫度為30 ℃,吸附時(shí)間分別為15,20,40,50,70,80,90,150,180,240 min,過(guò)濾,取上清液,經(jīng)二苯碳酰二肼顯色后測(cè)定吸光度。
1.5.5 吸附熱力學(xué)實(shí)驗(yàn) 吸附劑投加量均為 4.0 g/L,模擬廢水pH值為2.5,Cr(Ⅵ)濃度為 10 mg/L,吸附溫度分別為25,30,35,40,50 ℃,振蕩180 min,過(guò)濾,取上清液,經(jīng)二苯碳酰二肼顯色后測(cè)定吸光度。
1.5.6 吸附等溫特征實(shí)驗(yàn) 吸附劑投加量均為 4.0 g/L,模擬廢水pH值為5.0,分別配制濃度為25,50,75,100,200,400,500,1 000 mg/L的Cr(Ⅵ)溶液。置于50 ℃水浴下,振蕩360 min,過(guò)濾,取上清液,經(jīng)二苯碳酰二肼顯色后測(cè)定吸光度。
2.1.1 板栗刺殼生物炭的XRD表征 板栗刺殼生物炭的XRD測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。
圖1 板栗刺殼生物炭的XRD圖譜
由圖1可知,在2θ為20.5°和43.1°附近出現(xiàn)兩個(gè)較為明顯的衍射峰,分別對(duì)應(yīng)石墨碳材料的(002)和(100)晶面的衍射峰(JCPDS#25-0284)[11],說(shuō)明該材料為無(wú)定型的生物質(zhì)活性炭。
2.1.2 板栗刺殼生物炭的FTIR表征 對(duì)板栗刺殼生物炭進(jìn)行FTIR表征,分析其表面所含有的官能團(tuán),結(jié)果見(jiàn)圖2。
圖2 板栗刺殼生物炭的FTIR圖
2.1.3 板栗刺殼生物炭的FESEM表征 圖3為高鐵酸鉀改性制備得到的板栗刺殼生物炭在不同放大倍率下的FESEM圖。
圖3 板栗刺殼生物炭的FESEM圖
由圖3可知,經(jīng)炭化活化處理后,該材料表面出現(xiàn)了大量的孔隙,能夠顯著增加生物炭的表面積,為重金屬吸附提供更多的有效位點(diǎn),進(jìn)而提升材料的吸附性能。
2.1.4 板栗刺殼生物炭的XPS表征 為了進(jìn)一步確認(rèn)板栗殼生物炭的表面元素形態(tài),對(duì)其進(jìn)行了XPS表征,結(jié)果見(jiàn)圖4。
圖4 板栗刺殼生物炭的XPS高分辨率O 1s(a)和N 1s(b)圖譜
2.2.1 pH優(yōu)化實(shí)驗(yàn) pH通過(guò)改變?nèi)芤褐须x子存在的形態(tài)以及吸附劑表面官能團(tuán)的存在狀態(tài)進(jìn)而影響生物炭對(duì)金屬離子的吸附過(guò)程[18]。圖5為pH對(duì)板栗刺殼生物炭吸附Cr(Ⅵ)的影響。
圖5 pH值對(duì)板栗刺殼生物炭吸附Cr(Ⅵ)的影響
2.2.2 吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn) 圖6是時(shí)間對(duì)板栗刺殼生物炭吸附Cr(Ⅵ)的影響。
圖6 時(shí)間對(duì)板栗刺殼生物炭吸附Cr(Ⅵ)的影響
由圖6可知,短時(shí)間內(nèi)吸附劑對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附量急劇增加,隨后逐步接近飽和。當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)到90 min時(shí),溶液中約有90%的Cr(Ⅵ)可被固定于吸附劑上。初期,由于吸附劑孔隙發(fā)達(dá)且含有豐富的含氧官能團(tuán),吸附位點(diǎn)多,吸附率迅速增長(zhǎng);后期,可用吸附位點(diǎn)較少,且?guī)N電荷的離子之間因靜電相斥而形成吸附阻力,最終進(jìn)入平衡階段。為了進(jìn)一步研究吸附過(guò)程,采用式(3)的準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和式(4)的準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)吸附過(guò)程進(jìn)行擬合分析。
ln(Qe-Qt)=lnQe-k1t
(3)
t/Qt=1/(k2Qe2)+t/Qe
(4)
式中Qt——t時(shí)刻吸附劑的吸附量,mg/g;
Qe——平衡時(shí)的吸附量,mg/g;
t——吸附時(shí)間,min;
k1——準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù),min-1;
k2——準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)速率常數(shù),g/(mg·min)。
吸附時(shí)間通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行擬合,所得曲線見(jiàn)圖7,其中反應(yīng)速率常數(shù)和吸附量根據(jù)擬合曲線計(jì)算的結(jié)果見(jiàn)表1。
結(jié)合圖7和表1分析,準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)的相關(guān)系數(shù)R2=0.999 9,且其理論的平衡吸附量與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果相近。因此,相比準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,板栗刺殼生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附過(guò)程,更符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)果說(shuō)明,吸附劑上存在的具有吸附能力的活性位點(diǎn)被Cr(Ⅵ)占據(jù)的速率與未被占據(jù)的數(shù)量成正比,表明整個(gè)化學(xué)吸附過(guò)程是受速率控制的[21]。
圖7 板栗刺殼生物炭吸附Cr(Ⅵ)動(dòng)力學(xué)模型
表1 準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合結(jié)果
2.2.3 吸附熱力學(xué)實(shí)驗(yàn) 在不同溫度下,考察板栗刺殼生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附性能,結(jié)果見(jiàn)圖8。
圖8 溫度對(duì)板栗刺殼生物炭吸附Cr(Ⅵ)的影響
由圖8可知,板栗刺殼生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附量隨著溫度的升高而增加,在50 ℃時(shí),吸附量最大為24.81 mg/g。分析原因在于,一方面,升高溫度有利于激發(fā)板栗刺殼生物炭產(chǎn)生新的有效吸附位點(diǎn);另一方面,隨著溫度的升高,溶液中Cr(Ⅵ)的運(yùn)動(dòng)加劇,與板栗刺殼生物炭上的吸附位點(diǎn)碰撞的幾率增加,易被其固定。吸附過(guò)程的熱力學(xué)參數(shù)吉布斯自由能(ΔG)、熵變(ΔS)和焓變(ΔH)的值,可由式(5)和式(6)計(jì)算得出。
ln(Qe/Ce)=ΔS/R-ΔH/(RT)
(5)
ΔG=ΔH-TΔS
(6)
式中Qe——平衡時(shí)的吸附量,mg/g;
Ce——平衡時(shí)的濃度,mg/L;
R——?dú)怏w常數(shù),8.314 J/(mol·K);
ΔG——吉布斯自由能,kJ/mol;
ΔS——吸附的熵變,kJ/(mol·K);
ΔH——吸附的焓變,kJ/mol;
T——絕對(duì)溫度,K。
以ln(Qe/Ce)對(duì)1/T作圖可得擬合方程y=57.343-17 344.421x,最終計(jì)算得到不同溫度下的熱力學(xué)參數(shù)結(jié)果見(jiàn)表2。其中,ΔG均為負(fù)值,表明該吸附過(guò)程是自發(fā)進(jìn)行的;ΔH與ΔS均為正值,說(shuō)明板栗刺殼生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附是吸熱反應(yīng),溫度升高有利于吸附過(guò)程的發(fā)生,亦會(huì)增加固液界面的無(wú)序度[22]。
表2 板栗刺殼生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)吸附的熱力學(xué)參數(shù)
2.2.4 等溫吸附特征實(shí)驗(yàn) 為進(jìn)一步研究板栗刺殼生物炭對(duì)水中Cr(Ⅵ)的吸附動(dòng)力學(xué)特性,分別采用Langmuir吸附等溫方程與Freundlich吸附等溫方程兩種經(jīng)典的模型對(duì)吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,公式如下:
Langmuir模型方程:
Freundlich模型方程:
lnQe=lnCe/n+lnKF
(8)
式中Qm——Langmuir理論飽和吸附量,mg/g;
Qe——平衡時(shí)的吸附量,mg/g;
Ce——平衡時(shí)的濃度,mg/L;
KL——Langmuir吸附等溫式常數(shù),L/mg;
n——與吸附劑表面覆蓋度有關(guān)的常數(shù)。
圖9 Langmuir吸附等溫線(a)和Freundlich吸附等溫線(b)
表3 Langmuir和Freundlich模型擬合參數(shù)
(1)以板栗刺殼為原料,高鐵酸鉀為活化劑,一步炭化活化制備得到板栗刺殼生物炭,物性表征結(jié)果表明,該材料具有較為發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)及豐富的含氧活性官能團(tuán)。
(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,板栗刺殼生物炭在pH為2.5、投加量為4.0 g/L、吸附時(shí)間為90 min時(shí),對(duì)Cr(Ⅵ)的去除率可達(dá)90%以上。
(3)板栗刺殼生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附機(jī)理符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,化學(xué)吸附過(guò)程為其限速步驟,吸附熱力學(xué)結(jié)果表明該反應(yīng)為一個(gè)自發(fā)進(jìn)行的吸熱反應(yīng)。
(4)Langmuir方程能較好地描述板栗刺殼生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附等溫特征。由Langmuir方程計(jì)算出常溫下理論吸附量為61.312 mg/g。
綜上所述,板栗刺殼生物炭是一種來(lái)源廣、成本低的吸附劑,對(duì)廢水中的Cr(Ⅵ)表現(xiàn)出良好的吸附性能,具有良好的實(shí)用價(jià)值及發(fā)展前景。