改性生物炭对Cr的吸附特性研究

陈 壮，梁 媛，赵 奔，周 玲

(苏州科技大学 环境科学与工程学院，苏州 215009)

1 实验部分

1.1 实验试剂

重铬酸钾(K2Cr2O7)、丙酮(C3H6O)、尿素(CH4N2O)、亚硝酸钠(NaNO2)、氨水(NH3·H2O)、二苯碳酰二肼(C13H14N4O)和硝酸铁(Fe(NO3)3)为分析纯，购于国药集团化学试剂有限公司，H2SO4、H3PO4、NaOH和HNO3为分析纯，购于太仓市周氏化学有限公司.

1.2 改性生物炭的制备

生物炭制备： 将芦苇秸秆清洗、粉碎后烘干，于马弗炉内500 ℃恒温限氧热解3 h，冷却后得到黑色粉末状生物炭，研磨过100目筛得芦苇生物炭，标记为BC500.

改性生物炭制备： 称取10.0 g BC500于500 mL烧杯中，加入100 mL 0.3 mol·L-1硝酸铁溶液，用0.5 mol·L-1NaOH和HNO3溶液将悬浮液pH调至7.0，保持pH稳定2 h，用超声波分散悬浮液2 h，25 ℃ 条件下避光静置24 h后，用无水乙醇和超纯水交替清洗3次去除杂质，过滤后在75 ℃条件下过夜烘干、研磨后过100目筛，得铁改性生物炭，标记为FeBC500[11].

1.3 改性生物炭的表征

生物炭表面官能团测定采用傅里叶红外光谱仪(Thermo 6700，美国赛默飞)；生物炭比表面积、孔径、孔容等测定采用自动比表面积测定仪(V-sorb 2800，北京金埃谱)；Zeta电位测定采用高分辨电位及粒度分析仪(Zeta PALS，美国布鲁克海文)；生物炭形貌特征和元素组成采用扫描电子显微镜(FEG 250，美国FEI Quanta)；样品表面元素结合能分析采用X射线光电子能谱仪(K-Alpha，美国赛默飞).

1.4 实验方法

1.4.2 吸附动力学实验

采用准一级动力学方程、准二级动力学方程和颗粒内扩散方程对吸附实验进行拟合.

准一级动力学方程：

(1)

准二级动力学方程：

(2)

式中：Qt为t时刻吸附量，单位为mg·g-1；Qe为平衡时吸附量，单位为mg·g-1；k1为准一级速率常数，单位为min-1；k2为准二级速率常数，单位为g·mg-1·min-1.

颗粒内扩散方程：

qt=kip·t0.5+c，

(3)

式中：kip是吸附质在吸附剂中扩散的速率常数，单位为mg·g-1·h-1；c表示边界厚度常数.

1.4.3 等温吸附实验

Langmuir方程：

(4)

式中：Qe和Qm分别为平衡和最大饱和吸附量，单位为mg·g-1；ρe为平衡浓度，单位为mg·L-1；b为Langmuir常数.

Freundlich方程：

qe=KFρe1/n.

(5)

式中：KF为Freundlich常数；1/n为Freundlich强度参数.

2 结果与讨论

2.1 芦苇生物炭改性前后的表征

表1 生物炭改性前后比表面积、孔径和孔的比体积Tab.1 The specific surface area, pore size and pore volume of biochar before and after modification

图1 生物炭改性前后SEM照片和EDS谱图Fig.1 SEM images and EDS spectrum of biochar before and after modification

图2 生物炭改性前后的Zeta电位Fig.2 Zeta potential of biochar before and after modification

2.2 溶液pH对生物炭吸附Cr的影响

图3 (a) pH对去除Cr的影响和(b) 吸附后溶液中Cr浓度Fig.3 (a) The effect of pH on the removal of Cr and (b) the concentration of Cr in the solution after adsorption

2.3 吸附动力学

表2 生物炭改性前后的吸附动力学参数Tab.2 Adsorption kinetic parameters of biochar before and after modification

图4 生物炭改性前后的吸附动力学拟合结果Fig.4 Fitting results of adsorption kinetics of biochar before and after modification

图5 颗粒内扩散模型图Fig.5 Intra-particle diffusion model

表3 吸附Cr内扩散模型参数Tab.3 The internal diffusion model parameters of adsorbed Cr

2.4 吸附等温线

图6 生物炭改性前后对Cr的等温吸附曲线Fig.6 The isotherm curve of Cr adsorption by biochar before and after modification

表4 生物炭改性前后对Cr等温吸附拟合参数Tab.4 Fitting parameters of Cr isotherm adsorption before and after biochar modification

2.5 机理探讨

2.5.1 吸附作用

图7 生物炭改性前后吸附Cr的FT-IR图Fig.7 FT-IR diagram of Cr adsorption by biochar before and after modification

2.5.2 氧化还原作用

图8 FeBC500吸附Cr前后的XPS谱图Fig.8 XPS spectrum of FeBC500 before and after Cr adsorption

Fe3++biochar→Fe2+，

(6)

(7)

3Fe2++HCrO4-+7H+→3Fe3++4H2O+Cr3+，

(8)

(1-x)Fe3++xCr3++3H2O→CrxFe1-x(OH)3+3H+，

(9)

(1-x)Fe3++xCr3++3H2O→CrxFe1-xOOH+3H+.

(10)

3 结 论