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        生物炭負(fù)載納米零價(jià)鐵活化過(guò)硫酸鹽去除廢水中環(huán)丙沙星

        2023-12-19 08:43:50姚淑華陳藝文李士鳳
        化工環(huán)保 2023年6期
        關(guān)鍵詞:體系效果

        姚淑華,陳藝文,董 毅,李士鳳

        (沈陽(yáng)化工大學(xué) 遼寧省工業(yè)排放重金屬處理與資源化技術(shù)工程研究中心,遼寧 沈陽(yáng) 110142)

        近年來(lái),我國(guó)抗生素過(guò)度使用的問(wèn)題引起人們的廣泛關(guān)注[1]。水環(huán)境的抗生素污染已成為亟待解決的問(wèn)題[2-3]。以過(guò)硫酸鹽(PS)為氧化劑的高級(jí)氧化技術(shù)可以高效去除廢水中有機(jī)污染物[4],相比于單獨(dú)使用PS,活化劑會(huì)顯著提高其氧化性能[5]。納米零價(jià)鐵(nZVI)是高效的PS活化劑[6],但團(tuán)聚和鈍化的缺點(diǎn)會(huì)降低其反應(yīng)活性,影響其實(shí)際應(yīng)用效果。生物炭(BC)具有較大的比表面積和優(yōu)良的離子交換能力,可以吸附重金屬離子和有機(jī)污染物[7-8]。BC表面含有豐富的含氧官能團(tuán),有研究發(fā)現(xiàn),將nZVI負(fù)載在BC上(BC@nZVI),可以克服其團(tuán)聚問(wèn)題,并共同激活PS[9],有效去除廢水中污染物[10]。

        本研究以稻殼和FeCl3為原料,高溫?zé)峤獾練づc鐵鹽,一步法制得BC@nZVI,用其活化PS去除廢水中的抗生素環(huán)丙沙星(CIP)??疾炝藷峤鉁囟?、FeCl3濃度、BC@nZVI投加量、初始溶液pH、反應(yīng)溫度和干擾離子等對(duì)CIP去除率的影響,優(yōu)化了工藝條件,并對(duì)BC@nZVI的結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了表征,分析了體系中反應(yīng)的活性自由基,以期在實(shí)際廢水的處理中得到推廣應(yīng)用。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 材料與試劑

        稻殼取自沈陽(yáng)市周邊的農(nóng)村;所用試劑均為分析純;實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

        1.2 BC和BC@nZVI的制備

        用去離子水將稻殼洗滌后在烘箱中80 ℃烘干至恒重,倒入粉碎機(jī)粉碎,過(guò)100目篩后備用。

        稱(chēng)取5 g稻殼粉末置于管式爐中,在高純氮?dú)鈿夥障乱? ℃/min升溫至900 ℃,保溫4 h后自然冷卻至室溫,即得到BC,密封保存。

        分別稱(chēng)取5 g稻殼粉末加入到200 mL的濃度分別為0.9,1.2,1.5,2.1,3.0 mmol/L的FeCl3溶液中,室溫下持續(xù)攪拌24 h后,在烘箱中80 ℃烘干至恒重,得到Fe3+浸漬的稻殼粉末。將其置于管式爐中持續(xù)通入高純氮?dú)?,? ℃/min分別升溫至700,800,900,1 000 ℃,保溫4 h,自然冷卻至室溫,即得到BC@nZVI,密封保存。

        1.3 BC@nZVI活化PS去除CIP實(shí)驗(yàn)

        向一定體積的CIP初始質(zhì)量濃度為10 mg/L的模擬廢水(一定初始pH)中加入一定量的PS,使反應(yīng)體系中n(PS)∶n(CIP)=50∶1,然后加入一定量的BC@nZVI,以200 r/min轉(zhuǎn)速在恒溫?fù)u床中振蕩反應(yīng),間隔一定時(shí)間取樣,經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾,采用UV-1800型紫外可見(jiàn)-分光光度計(jì)(上海美譜達(dá)儀器有限公司)測(cè)定溶液吸光度,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)確定CIP質(zhì)量濃度,計(jì)算CIP去除率。

        分別向反應(yīng)體系中加入0.5 mL濃度為100 mmol/L的NaCl、NaNO3和Na2SO4溶液,其他反應(yīng)條件同上,考察不同陰離子的存在對(duì)CIP去除率的影響。

        分別向反應(yīng)體系中加入0.5 mL濃度為100 mmol/L的叔丁醇和乙醇作為自由基清除劑進(jìn)行猝滅實(shí)驗(yàn),鑒別體系中起主要氧化作用的自由基。鑒定自由基(SO4-·和·OH)的捕獲劑為5,5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物(DMPO)。

        1.4 分析表征

        采用美國(guó)賽默飛世爾公司Quattro 型電子顯微鏡-能譜儀(SEM-EDS)觀測(cè)樣品的微觀形貌和元素組成;采用日本HORIBA公司BX41型拉曼光譜儀表征樣品的晶體結(jié)構(gòu);采用美國(guó)Micromeritics公司ASAP2020型比表面積分析儀測(cè)定樣品的BET比表面積、孔體積及孔徑;采用日本Rigaku公司MiniFlex600型X射線(xiàn)光電子能譜儀(XRD)分析樣品的組成;采用德國(guó)Bruker公司EMXplus-X型電子順磁共振波譜儀(EPR)對(duì)樣品進(jìn)行自由基表征;采用便攜式pH計(jì)測(cè)定溶液pH。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 BC和BC@nZVI的表征結(jié)果

        2.1.1 XRD

        不同熱解溫度下制備的BC@nZVI的XRD譜圖見(jiàn)圖1。與BC的XRD譜圖一致,在2θ為20°~25°范圍內(nèi)均出現(xiàn)了一個(gè)較寬的石墨碳特征峰[11]。熱解溫度為700 ℃時(shí),F(xiàn)e主要以Fe3O4的形式存在;熱解溫度為900 ℃時(shí),在2θ為44.89°、65.01°和82.23°處均出現(xiàn)了nZVI特征峰[12],這是因?yàn)闇囟鹊纳呤笷e3O4逐漸還原為nZVI。

        圖1 不同熱解溫度下制備的BC@nZVI的XRD譜圖

        2.1.2 SEM

        BC和BC@nZVI的SEM照片見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn):BC表面平滑;BC@nZVI表面負(fù)載有nZVI顆粒,nZVI分散均勻,nZVI粒徑約為50 nm。

        圖2 BC和BC@nZVI的SEM照片

        2.1.3 EDS

        BC和BC@nZVI的EDS譜圖見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn):與BC相比,BC@nZVI的Fe含量增加,而O含量減少,證明nZVI成功負(fù)載在BC上,由于BC是含有大量礦物質(zhì)的多孔炭[13],因此觀察到其存在微量K和Ca元素。

        圖3 BC和BC@nZVI的EDS譜圖

        2.1.4 拉曼光譜

        BC和BC@nZVI的拉曼光譜見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn):1 350 cm-1處的D峰歸屬于具有結(jié)構(gòu)缺陷的sp3雜化碳;1 570 cm-1處的G峰歸屬于石墨結(jié)構(gòu)中的sp2雜化碳[11];峰強(qiáng)比值(ID/IG值)反映碳材料的缺陷和無(wú)序程度[14],BC與BC@nZVI的ID/IG值分別為1.14和1.26,表明隨著nZVI的負(fù)載,BC@nZVI表面及邊緣位置的不飽和碳原子數(shù)量增多,進(jìn)而表面反應(yīng)活性增強(qiáng)。

        圖4 BC和BC@nZVI的拉曼光譜

        2.1.5 孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

        BC和BC@nZVI的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn):BC@nZVI與BC的比表面積相差不大,但微孔體積減小,這說(shuō)明nZVI不僅負(fù)載在BC表面并且還進(jìn)入了孔的內(nèi)部。因此,BC@nZVI的高反應(yīng)活性主要?dú)w因于nZVI的負(fù)載。

        表1 BC和BC@nZVI的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

        2.2 BC@nZVI制備條件及去除CIP實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

        2.2.1 熱解溫度

        在FeCl3濃度為1.5 mmol/L、BC@nZVI加入量為0.4 g/L、反應(yīng)溫度為25 ℃、初始溶液pH約為 6.2(未調(diào)整溶液pH)的條件下反應(yīng)180 min,不同熱解溫度下制備的BC@nZVI的CIP去除率見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn):隨熱解溫度升高,CIP去除率增大。因?yàn)殡S熱解溫度升高,F(xiàn)e從Fe3O4的形式轉(zhuǎn)化為nZVI,而nZVI對(duì)PS的活化效果好于Fe3O4,使得CIP去除率增大。熱解溫度為900 ℃和1 000 ℃時(shí)CIP去除率差別不大,故后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇熱解溫度為900 ℃。

        圖5 不同熱解溫度下制備的BC@nZVI的CIP去除率

        2.2.2 FeCl3濃度

        在熱解溫度為900 ℃、BC@nZVI加入量為0.4 g/L、反應(yīng)溫度為25 ℃、初始溶液pH約為 6.2(未調(diào)整溶液pH)的條件下反應(yīng)180 min,F(xiàn)eCl3濃度對(duì)BC@nZVI去除CIP效果的影響見(jiàn)圖6。

        圖6 FeCl3濃度對(duì)BC@nZVI去除CIP效果的影響

        由圖6可見(jiàn):BC對(duì)CIP的去除率僅有20.43%,BC@nZVI對(duì)CIP的去除率均高于BC;隨FeCl3濃度的增加,CIP去除率呈先增大后減小的趨勢(shì),可能是因?yàn)镕eCl3濃度越高,負(fù)載上的nZVI的量越多,過(guò)多的nZVI在BC表面發(fā)生團(tuán)聚使BC比表面積減?。?5]。綜合考慮效果和成本,后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇FeCl3濃度為1.5 mmol/L。

        2.2.3 BC@nZVI投加量

        在熱解溫度為900 ℃、FeCl3濃度為1.5 mmol/L、反應(yīng)溫度為25 ℃、初始溶液pH約為 6.2(未調(diào)整溶液pH)的條件下,BC@nZVI投加量對(duì)其去除CIP效果的影響見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn):CIP去除率隨BC@nZVI投加量的增大而升高;當(dāng)BC@nZVI投加量從0.4 g/L增加到0.5 g/L時(shí),CIP去除率僅略有升高,是由于過(guò)量的BC@nZVI會(huì)消耗SO4-·,導(dǎo)致活化性能降低[16]。綜合考慮,后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇BC@nZVI投加量為0.4 g/L。

        圖7 BC@nZVI投加量對(duì)其去除CIP效果的影響

        2.2.4 初始溶液pH

        pH在廢水處理中起著至關(guān)重要的作用。在熱解溫度為900 ℃、FeCl3濃度為1.5 mmol/L、BC@nZVI投加量為0.4 g/L、反應(yīng)溫度為25 ℃的條件下,初始溶液pH對(duì)BC@nZVI 去除CIP效果的影響見(jiàn)圖8。由圖8可見(jiàn),隨初始溶液pH升高,CIP去除率逐漸降低。酸性和中性條件比堿性條件更利于CIP的去除。這是由于nZVI在酸性條件下被腐蝕形成的Fe2+可以活化PS[17],隨著pH的降低,溶液中Fe2+的濃度增加,CIP去除率也隨之增加,且酸性條件也有利于PS轉(zhuǎn)化為SO4-·(式(1)和式(2))。在堿性條件下CIP去除率降低,一個(gè)原因是反應(yīng)會(huì)生成氧化鐵和氫氧化鐵不溶物,這些不溶物阻礙了BC@nZVI與PS的反應(yīng);另一個(gè)原因是SO4-·和OH-反應(yīng)生成·OH和SO42-,轉(zhuǎn)化成HSO4-·(式(3)和式(4))。綜上所述,初始溶液pH在3.0~7.0范圍內(nèi)反應(yīng)180 min CIP去除率均高于73%,故本實(shí)驗(yàn)不用調(diào)整模擬廢水pH。

        圖8 溶液初始pH對(duì)BC@nZVI去除CIP效果的影響

        2.2.5 反應(yīng)溫度

        在熱解溫度為900 ℃、FeCl3濃度為1.5 mmol/L、BC@nZVI投加量為0.4 g/L、初始溶液pH約為6.2(未調(diào)整溶液pH)的條件下,反應(yīng)溫度對(duì)BC@nZVI去除CIP效果的影響見(jiàn)圖9。由圖9可見(jiàn):隨反應(yīng)溫度升高,CIP去除率逐漸升高;當(dāng)反應(yīng)溫度為45℃時(shí),反應(yīng)180 min CIP去除率高達(dá)98.53%。這是因?yàn)闇囟壬呒訌?qiáng)了BC@nZVI活化PS的能力,增加了SO4-·的生成率。此外,在同一溫度下BC@nZVI對(duì)CIP的去除效果均優(yōu)于BC。

        圖9 反應(yīng)溫度對(duì)BC@nZVI去除CIP效果的影響

        2.3 無(wú)機(jī)陰離子對(duì)CIP去除效果的影響

        無(wú)機(jī)陰離子主要存在于地下水和工業(yè)廢水中,易吸附在活化劑的表面,從而降低對(duì)污染物的去除效果。在熱解溫度為900 ℃、FeCl3濃度為1.5 mmol/L、BC@nZVI投加量為0.4 g/L、反應(yīng)溫度為25 ℃、初始溶液pH約為 6.2(未調(diào)整溶液pH)的條件下,考察在體系中加入Cl-、NO3-和SO42-對(duì)CIP去除效果的影響,結(jié)果見(jiàn)圖10。與未加陰離子的對(duì)照實(shí)驗(yàn)相比,加入Cl-、NO3-和SO42-后CIP去除率有不同程度的下降,因?yàn)镃l-、NO3-和SO42-在BC@nZVI表面與CIP發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附[18]。Cl-與SO4-·或自身中間產(chǎn)物反應(yīng)生成·Cl和·Cl2-,從而去除CIP,相比SO4-·,·Cl2-氧化性較弱,選擇性更強(qiáng),因此對(duì)CIP去除影響最?。ㄒ?jiàn)式(5)~(7))。

        圖10 無(wú)機(jī)陰離子對(duì)BC@nZVI去除CIP效果的影響

        在BC@nZVI活化PS體系中,NO3-可氧化nZVI生成NH4+、NO2-和N2(g),消耗nZVI并降低CIP的去除率(見(jiàn)式(8)~(10))[19]。SO42-則對(duì)CIP的去除表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制作用,是由于硫酸鹽與nZVI反應(yīng)形成硫酸鐵沉積在BC@nZVI表面,阻礙了PS的活化,降低了對(duì)CIP的去除率。一些研究證實(shí)溶液中含氧陰離子的存在阻礙了反應(yīng)的正常進(jìn)行[20]。綜上所述,在體系中加入SO42-使CIP去除率明顯下降,NO3-和Cl-對(duì)CIP去除率影響稍小。

        2.4 自由基種類(lèi)的確定

        使用叔丁醇和乙醇作為自由基清除劑進(jìn)行猝滅實(shí)驗(yàn),其中叔丁醇為·OH的清除劑,乙醇為SO4-·和·OH的清除劑。由圖11可見(jiàn),加入叔丁醇后CIP去除率為58.28%,而加入乙醇的CIP去除率僅有21.29%。這表明體系中存在SO4-·和·OH,且SO4-·起主要作用。

        圖11 叔丁醇和乙醇對(duì)CIP去除效果的影響

        以DMPO為自由基捕獲劑,BC和BC@nZVI活化PS體系的EPR譜圖見(jiàn)圖12。由圖12可見(jiàn),在兩個(gè)體系中均產(chǎn)生了SO4-·和·OH,其中SO4-·的信號(hào)強(qiáng)度高于·OH,這與猝滅實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。由式(11)~(13)可知,BC@nZVI活化PS產(chǎn)生SO4-·,再由SO4-·與OH-反應(yīng)生成·OH。BC@nZVI活化PS體系中的信號(hào)強(qiáng)度高于BC活化PS體系,說(shuō)明BC@nZVI具有更強(qiáng)的活化能力,表明nZVI的負(fù)載增強(qiáng)了體系活化PS的性能。

        圖12 DMPO為自由基捕獲劑的BC和BC@nZVI活化PS體系的EPR譜圖

        3 結(jié)論

        a)以稻殼和FeCl3為原料,高溫?zé)峤獾練づc鐵鹽,一步法制得BC和BC@nZVI,nZVI均勻負(fù)載于BC上,且增加了反應(yīng)活性位點(diǎn)。

        b)在熱解溫度為900 ℃、FeCl3濃度為1.5 mmol/L、BC@nZVI投加量為0.4 g/L、反應(yīng)溫度為45 ℃、初始溶液pH約為 6.2(未調(diào)整溶液pH)的優(yōu)化條件下,反應(yīng)180 min BC@nZVI活化PS對(duì)CIP的去除率高達(dá)98.53%。

        c)BC@nZVI活化PS體系中,加入SO42-使CIP去除率明顯下降,加入NO3-和Cl-對(duì)CIP去除率影響稍小。

        d)活化PS體系中存在SO4-·和·OH自由基,且SO4-·起主要作用。

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