甘蔗渣生物炭对水体铬吸附反应研究

【目的】探究甘蔗渣生物炭对铬(Cr)的最佳吸附条件和吸附机理。【方法】在N_2保护和350、450、550℃3种温度条件下制备甘蔗渣生物炭,通过扫描电镜(SEM)比较炭化前后甘蔗渣外观的变化,通过批量处理试验研究制备温度、用量、Cr初始质量浓度、吸附时间等因素对甘蔗渣生物炭吸附Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的影响。【结果】甘蔗渣生物炭孔隙度随制备温度的升高而增大。制备温度越低,对Cr(Ⅵ)去除效率越高,当Cr(Ⅵ)质量浓度和炭用量分别为50 mg/L和15 g/L时,反应7 d后,350℃制备的生物炭对Cr(Ⅵ)的最大吸附量为5.703 mg/g,去除率可达92.39%;制备温度越高,对Cr(Ⅲ)去除效率越高,当Cr(Ⅲ)质量浓度和炭用量分别为75 mg/L和10 g/L时,反应7 d后,550℃制备的生物炭对Cr(Ⅲ)的最大吸附量为9.158mg/g,去除率达97.06%。甘蔗渣生物炭对Cr吸附等温线可用Langmuir模型拟合,Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)吸附动力学曲线分别符合拟一级和拟二级反应动力学模型。【结论】不同温度下制备的甘蔗渣生物炭对不同价态Cr的吸附具有选择性,其中350℃制备的生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附效率最高,而550℃制备的生物炭对Cr(Ⅲ)的吸附效率最高。     

核桃壳生物炭对水体中Cr(Ⅵ)的吸附性能研究

以农业废弃物核桃壳为原料制备生物炭,运用红外光谱分析发现其含有丰富的羟基、烷基、芳香基等官能团。将其应用于水体中Cr(Ⅵ)吸附研究,结果表明,核桃壳生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附去除效果受热解制备温度、溶液pH值、生物炭投加量、Cr(Ⅵ)初始浓度和吸附时间影响显著,但吸附时溶液温度对其吸附效果影响较小。在25℃、pH值4.0、核桃壳生物炭投加量1.0 g/L、Cr(Ⅵ)初始浓度为40 mg/L时,约210 min后能达到吸附平衡,其去除率可达95.77%。动力学研究发现,核桃壳生物炭吸附Cr(Ⅵ)符合准二级动力学模型,吸附初期属于液膜扩散过程,之后属于颗粒内扩散过程。热力学研究表明,核桃壳生物炭吸附Cr(Ⅵ)为吸热的自发过程,符合Langmuir的单分子层吸附模型。     

膨润土改性微囊藻基生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附性能

针对高毒性含铬废水处理难、水华藻类资源化利用率低等问题,本研究拟制备膨润土改性微囊藻基生物炭(BMC),使用扫描电镜、X射线衍射和比表面积分析等方法对使用膨润土改性前后的微囊藻基生物炭的属性进行表征,研究初始pH、生物炭投加量对改性前后微囊藻基生物炭吸附Cr(Ⅵ)效果的影响,并对吸附过程进行动力学和等温模型拟合。结果表明,膨润土改性后微囊藻基生物炭表面官能团和阳离子交换容量均大幅增加,改性前后微囊藻基生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附过程均符合准二级动力学模型和Langmuir等温模型;在pH=2、投加量为2 g/L的试验条件下,改性微囊藻基生物炭对Cr(Ⅵ)的饱和吸附容量达到10.87 mg/g,是改性前微囊藻基生物炭(MC)饱和吸附容量的3.94倍,微囊藻基生物炭改性后显著促进了对Cr(Ⅵ)的吸附;静电吸附和氧化还原作用是微囊藻基生物炭去除Cr(Ⅵ)的主要机制。本研究成果可为含铬废水处理提供新方法,并可为水华藻类的资源化利用提供新思路。     

皇竹草生物炭的结构特征及其对Cr(Ⅵ)的吸附性能

以皇竹草茎秆为原料,在限氧控温(300、500、700℃)条件下制备生物炭,研究该生物炭的结构特征及其对Cr(Ⅵ)的吸附行为。结果发现,随着热解温度的升高,皇竹草生物炭的产率下降,而灰分、p H呈上升趋势;电镜扫描(SEM)观察可见不同热解温度下所制备的生物炭结构相似,均具多孔和管状结构,但在700℃条件下所制备的生物炭相对300℃下制备的生物炭孔壁变薄,且孔壁有附着物,切面有突起结构。三种温度下制备的皇竹草生物炭对溶液中的Cr(Ⅵ)都具有较好的吸附作用,且500、700℃下制备的生物炭比300℃下制备的生物炭具有更好的吸附效果。在0~1 h之间,三种热解温度下制备的生物炭对铬的吸附量均随着时间的延长而快速增加,当吸附至1 h时,基本达到饱和状态,随后吸附量无明显变化。     

农业废弃物核桃壳粉对Cr（Ⅵ）的吸附特征研究

以核桃壳粉为吸附剂,通过批试验探讨了体系初始pH值、吸附剂用量、温度等因素对水溶液中Cr(Ⅵ)吸附的影响,并讨论了吸附过程中Cr的化学形态变化和吸附过程的热力学特征.结果表明,核桃壳粉对Cr(Ⅵ)的吸附最佳pH为1.0.向50 mL 50 mg·L-1的Cr(Ⅵ)溶液中加入0.5 g核桃壳粉,对溶液中Cr(Ⅵ)的去除可达95.39%,吸附过程伴随着氧化还原反应的发生;随着体系温度的升高,核桃壳粉对Cr(Ⅵ)的吸附量增加,吸附过程符合二级动力学过程,Langmuir模型能较好地反映吸附过程特征.对吸附热力学参数△Go、AH°和△S°的计算表明,吸附过程是吸热的自发过程,升高温度有利核桃壳粉对Cr(Ⅵ)的吸附,在301、308和318 K条件下的最大吸附量分别为20.54、26.00和29.53 g·kg-1.试验结合FTIR和SEM手段,对核桃壳粉进行了分析,发现核桃壳粉对Cr(Ⅵ)的吸附是一个包含氧化还原的极其复杂的反应过程,核桃壳粉是具有吸附污水中铬的能力和潜在利用价值的生物质吸附剂.     

米糠对水中Cr(Ⅵ)的吸附机理

利用米糠吸附水中Cr(Ⅵ),分别对总Cr、Cr(Ⅵ)浓度和pH进行了定量测定,探讨了米糠对Cr(Ⅵ)吸附机理.结果表明,Cr(Ⅵ)是以HCrO4-形态通过静电吸引作用被吸附,在吸附过程中同时存在氧化还原和离子交换的作用机理.另外,分析了米糠经化学修饰前后的吸附效果和红外光谱,发现经化学修饰后的米糠对Cr(Ⅵ)吸附能力下降,且米糠中的胺基和羧基在吸附过程中起重要作用.     

溶液初始pH值及裂解温度对玉米秸秆基生物炭吸附Cr(Ⅵ)的影响

以玉米秸秆为原料,在300、450℃和600℃下裂解得到3种生物炭,通过批处理实验讨论了溶液初始pH值和裂解温度对玉米秸秆及其生物炭吸附Cr（Ⅵ）的影响,并用吸附动力学模型和等温吸附模型对实验结果进行拟合。结果表明：对于同种吸附材料而言,溶液初始pH值越低,玉米秸秆及其生物炭对Cr（Ⅵ）的吸附量越大;当溶液初始pH值为3或5时,对Cr（Ⅵ）的吸附性能大小顺序为：玉米秸秆 > 生物炭300℃ > 生物炭450℃ > 生物炭600℃;当溶液初始pH=1时,对Cr（Ⅵ）的吸附性能大小顺序为：生物炭300℃ > 玉米秸秆 > 生物炭450℃ > 生物炭600℃,且生物炭300℃对Cr（Ⅵ）的最大吸附量约为141.24 mg·g^-1。可见,溶液初始pH值越低,生物炭的裂解温度越低,越有利于生物炭对Cr（Ⅵ）的吸附。     

蔬菜地土壤对Cr（Ⅵ）的吸附——解吸特征研究

以韶关某蔬菜地土壤为研究对象,研究了反应时间、反应物浓度、pH值、共存离子等因素对Cr(Ⅵ)吸附反应的影响,并在此基础上研究了Cr(Ⅵ)的解吸特征,区分了有机质和氧化铁等组分对Cr(Ⅵ)吸附的贡献。结果表明：在pH值为4.0～6.0的范围内,Cr(Ⅵ)吸附反应48 h可达到平衡。Cr(Ⅵ)吸附百分比随着pH值的上升而下降,且pH值越低,静电吸附方式所占比例越高,这是因为pH值越高,土壤表面负电荷量越多,对Cr(Ⅵ)的静电斥力越强。Cu²⁺的存在可降低土壤表面负电荷量,由此促进Cr(Ⅵ)吸附和提高静电吸附方式所占比例;加入H₂PO₄^-后,土壤表面负电荷量增加,Cr(Ⅵ)吸附受到抑制,但专性吸附方式所占比例有所提高。在所研究的初始浓度范围内,去除有机质、非晶质氧化铁和游离氧化铁后,Cr(Ⅵ)的最大吸附量分别下降24.63、6.40和9.89个百分点。本结论将有助于了解Cr(Ⅵ)在该土壤固、液两相的分配平衡、生物有效性和迁移性,对其污染风险控制可提供一定的理论支撑。     

生物炭基硫酸盐还原菌(SRB)对Cr(Ⅵ)的吸附效应及作用机制

分别在300、500℃和700℃下制备水稻、小麦和玉米秸秆生物炭,对比以不同类型生物炭为载体制备的炭基硫酸盐还原菌(SRB)对Cr(Ⅵ)的吸附效应,筛选出吸附效果最佳的炭基菌剂。采用扫描电镜、傅里叶红外光谱和比表面积测试仪对生物炭进行表征分析,研究了溶液pH、吸附时间、生物炭添加量和Cr(Ⅵ)初始浓度对炭基SRB吸附Cr(Ⅵ)的影响,并结合吸附动力学和等温吸附模型探讨其对Cr(Ⅵ)的吸附过程及作用机制。结果表明:以700℃限氧热解小麦秸秆(XM700)为载体制备的炭基SRB(IBXM700)对Cr(Ⅵ)的吸附效果最佳,其最佳吸附条件为pH=5、生物炭添加量0.6 g·100 mL~(-1)、吸附时间24 h、Cr(Ⅵ)的初始浓度100 mg·L~(-1);IBXM700对Cr(Ⅵ)的吸附更符合拟一级动力学,以离子交换和表面物理吸附为主,以化学吸附作用为辅,其等温吸附符合Langmuir模型,属于单分子层吸附;SRB能还原SO_4~(2-)为S~(2-),或分泌还原酶将Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ),从而达到去除目的。研究表明,IBXM700去除Cr(Ⅵ)的主要机制为吸附作用与还原作用。     

季也蒙毕赤酵母菌还原Cr（Ⅵ）的特性研究

从喂食聚乙烯塑料印度谷螟(Plodia interpunctella (Hübener))幼虫的肠道液中分离筛选出1株能还原Cr(Ⅵ)的酵母菌ZJH-1,通过形态特征和分子生物学鉴定该菌株为季也蒙毕赤酵母菌(Pichia guilliermondii)。该菌株对Cr(Ⅵ)的最小抑菌浓度(MIC)为17mmol/L,在含有50mg/L Cr(Ⅵ)的条件下,对其他重金属的MIC分别为Cu(Ⅱ)13 mmol/L、Pb(Ⅱ)6 mmol/L、Ag(Ⅰ)4 mmol/L、Mn(Ⅱ)16 mmol/L、Ni(Ⅱ)3mmol/L、Co(Ⅱ)3mmol/L、Cd(Ⅱ)0.9mmol/L和Hg(Ⅱ)0.2mmol/L。以Cr(Ⅵ)还原率为指标,考察了温度、pH、接种量、供电子体以及不同重金属离子对Cr(Ⅵ)还原率的影响,结果表明:在酵母浸出粉胨葡萄糖液体培养基(YPD)中,菌株ZJH-1还原Cr(Ⅵ)的较优pH和温度分别为9.0和40℃;在最适条件下,接种量为8%时,Cr(Ⅵ)的还原效果最佳;当葡萄糖作为供电子体时,48h内Cr(Ⅵ)的还原率为100%;菌株在含有不同重金属离子的培养液中,除Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)和Co(Ⅱ)外,菌株ZJH-1还原Cr(Ⅵ)的能力和生长能力均受到抑制,抑制顺序为Mn(Ⅱ)Hg(Ⅱ)Ag(Ⅰ)Ni(Ⅱ)Cd(Ⅱ)。对菌株ZJH-1还原Cr(Ⅵ)能力的初步研究结果表明,菌株ZJH-1在Cr(Ⅵ)污染修复中具有良好的应用潜力。