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聚吡咯改性生物炭对氟的吸附特性研究

2023-02-24杨文焕邓子威白妙馨李卫平

中国环境科学 2023年2期
关键词:吡咯阴离子投加量

杨文焕,徐 岩,邓子威,周 鑫,白妙馨,李卫平*

聚吡咯改性生物炭对氟的吸附特性研究

杨文焕1,徐 岩1,邓子威1,周 鑫1,白妙馨2,李卫平1*

(1.内蒙古科技大学能源与环境学院,内蒙古 包头 014010;2.内蒙古生态环境科学研究院有限公司,内蒙古 呼和浩特 010010)

以聚吡咯(PPy)改性芦苇-底泥生物炭(LB)制备了一种特异性吸附阴离子的吸附剂材料(LB/PPy)并实现水体中氟离子的高效去除.通过扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、孔径分析仪(BET)和傅里叶红外光谱(FTIR)对LB/PPy材料进行结构表征,并通过批量吸附实验探究LB/PPy对氟离子的吸附动力学和关键影响因素,最终揭示了该材料对氟离子的特异性吸附机理.PPy增加了LB材料的比表面积及表面官能团丰度,赋予其较高的吸附容量及特异性吸附阴离子性能.LB/PPy对氟离子的吸附动力学过程均符合准二级动力学模型,吸附过程同时存在物理吸附和化学吸附作用,但主要以化学键合为主;40℃时,达到最大吸附容量,为45.34mg/g,温度增加,吸附容量提升.该材料去除氟离子的最适pH值范围为8~10,具有高效的吸附效果,在多离子混合存在下仍能够保证对氟离子良好的特异性吸附能力,具有极高的应用价值.

生物炭;聚吡咯改性;氟离子;吸附机理

作为自然界和人类生产生活中的常见元素,氟以其强电负性和高溶解性对生态环境造成一定压力.当其浓度超过一定阈值时,会对水生植物、浮游生物及鱼类产生毒性效应,降低湖泊水生态系统中生物种类及数量,阻碍水产经济发展,甚至直接沿食物链影响人类身体健康[1-3].因此,湖泊等自然水体中氟污染的治理对保障水体安全意义重大.

水体除氟的技术与方法种类较多,主要包括沉淀法、离子交换法、膜分离法和吸附法[4].其中吸附法的操作简便、成本低廉,使其成为除氟工艺方法中最理想的一种技术手段.常见的吸附剂有生物炭、活性炭、沸石、多孔陶粒、碳纳米管等[5].其中生物炭是以有机废弃物和污泥等生物质为原料,通过热解作用制备而成,具有制备成本低,来源广泛等优势[6-8].然而上述包括生物炭在内的所有材料对污染物的吸附都是以物理作用为主,更多是依赖自身孔隙度与比表面积等物理性质,材料表面官能团结构简单,很难与吸附质间形成强有力的共价键.同时生物炭等材料对水体中阴离子的吸附具有非特异性,很难高效、有针对性的去除水体中氟离子[9].因此,研究一种除氟效果较好,特异性强的吸附除氟材料,具有重要意义.

氟主要以阴离子形态在环境及生化过程中扮演着重要的角色,而部分特异性络合阴离子的超分子体系也逐渐出现在人们的视野当中,吡咯就以自身构象变化优势成为突出的阴离子识别单元[10-12].当前也有许多研究人员使用改性剂来改性生物质炭,以便于提高其对阴离子的吸附去除能力[13-14].但将吡咯对阴离子的络合特性与生物炭的吸附效果相结合,是否会对水体中氟离子的去除起到明显效果等研究相对较少,以及吡咯对改性生物炭增强氟离子的吸附机理尚不明确.

本研究所采用的生物炭原材料为湖泊底泥沉积物及其岸边土著植物芦苇等,通过物理热解,投加吡咯等试剂,制备聚吡咯改性生物炭,有针对性的去除污染水体中的氟离子,揭示改性材料对氟离子的去除机理.

1 材料与方法

1.1 实验试剂

吡咯(py)、环糊精(C36H60O30)、氟化钠(NaF)、氯化钠(NaCl)、硫酸钠(Na2SO4)、氢氧化钠(NaOH)等试剂来自麦克林生化科技公司,三氯化铁(FeCl3)试剂来自北联精细公司,盐酸(HCl)试剂来自国药集团试剂公司,均为分析纯.试验用水为去离子水.

1.2 材料的制备

生物炭制备:对岱海湖泊表层沉积物与湖岸带的芦苇等原料进行清洗、烘干、粉碎并过100目筛,按照[芦苇/底泥]=7:3的比例置于坩埚中,放入管式炉,热解温度为800℃,全程通入氮气以防止氧气接触,保持4h后冷却取出,用1mol/L的盐酸浸渍洗去灰尘后,使用去离子水清洗至pH值稳定,生物炭放入105℃的烘箱烘干24h,保存备用,记为LB.

改性生物炭制备:将1.5g预处理后的生物炭加入到含有3mL吡咯(Py)及[环糊精(α-CD):吡咯(Py)=0.3:1]的100mL溶液中,恒温震荡30min后,加入1mol/L的FeCl3溶液129mL再次恒温震荡12h后,改性完成后使用去离子水洗涤改性生物炭至无色,放入50℃烘箱内干燥24h,干燥完毕后得到改性生物炭,记为LB/PPy.

1.3 材料的表征

采用X射线光电子能谱(XPS,ThermoFisher- Nexsa,美国赛默飞)测定生物炭的元素种类及含量.使用全自动比表面积及孔隙分析仪(BET, BELSORP-Maxll,日本麦奇克拜尔)测定生物炭的比表面积及孔体积.通过傅里叶红外光谱(FTIR,IR Tracer-100,日本岛津)测定生物炭的官能团类型.运用扫描电子显微镜(SEM,蔡司-Sigma-300,德国)测定生物炭表面形态.

1.4 吸附实验

1.4.1 吸附动力学 氟离子初始浓度为10mg/L, pH=6时,将0.1g改性生物炭投加到100mL氟离子溶液中,在0~360min设定时间点内进行氟离子测定,所有实验重复3次以保证结果准确性.

1.4.2 吸附等温线 pH=6时,将0.1g改性生物炭置于具塞锥形瓶中,加入6种不同浓度(3,10,15,25,50和90mg/L)的氟离子溶液100mL,设置温度为10,20, 30,40℃,恒温震荡12h后,取样测定溶液中剩余氟离子浓度.

1.4.3 溶液pH值影响 采用0.5mol/L HCl与0.5mol/L NaOH调节氟离子溶液初始pH值分别为4、6、8、10、12,氟离子初始浓度为10mg/L,恒温震荡12h后,取样测定溶液中剩余氟离子浓度.

1.4.4 吸附剂投加量影响 氟离子初始浓度为10mg/L,pH=6时,设置改性生物炭的投加量为0.1, 0.2,0.3,0.4,0.5,0.6g/L,恒温震荡12h后,取样测定溶液中剩余氟离子浓度.

1.4.5 溶液共存离子影响 实验设定了3个共存离子的水平浓度分别是0,30和90mg/L,每一个浓度材料投加量为0.1g/L,取配置好的10mg/L氟离子溶液100mL加入到250mL具塞锥形瓶中,然后分别在溶液中投加Cl-、CO32-、HCO3-和SO42-等4种物质研究其对吸附的影响,调节pH值为6,恒温震荡12h后,取样测定溶液中剩余氟离子浓度.

上述吸附试验均在转速为180r/min的恒温(25±2)℃摇床中进行,吸附到达平衡后,混合液离心过0.45mm滤膜后,通过氟离子选择电极测定滤液中的氟离子浓度.通过式(1)、式(2)计算生物炭对氟离子的吸附容量(,mg/g)和吸附去除率(,%).

式中:e为溶液中的氟离子在吸附平衡时浓度, mg/L;0为氟离子溶液的初始浓度,mg/L;为含有氟离子浓液的体积,L;为所用吸附材料的质量,g.

1.5 数据处理

各实验指标均重复测定3次,实验结果用“平均值±标准差”表示,以保证实验结果的准确性;利用Excel 2018进行实验数据的处理,采用Origin 2018进行图形绘制.

2 结果与讨论

2.1 材料表征分析

2.1.1 SEM与BET分析 在经过放大600倍下的LB和LB/PPy的电镜图像如图1所示.可以看出,未经改性的LB整体较为光滑(图1a),具有层状孔隙结构,这些层状孔隙有利于PPy的负载.改性后的LB/PPy(图1b)形貌发生了极大的变化,呈现出松散的球状聚集结构特征[15],经过再度放大后可更直观发现PPy内嵌于生物炭层状孔隙结构中,表明PPy已成功地负载在LB表面及空隙中.

图1 LB和LB/PPy的SEM图

比表面积及孔隙度是影响生物炭吸附性能的关键因素.采用BET对改性材料比表面积进行测定(图2),并根据国际纯粹与应用化学会(IUPAC)所定义的气体吸附曲线类型进行分类,LB的氮气吸脱附等温线为Ⅰ型,表明LB结构中存在较多的微孔,与表1中测得的平均孔径为1.79nm相符合;而LB/PPy属于Ⅳ型,吸附曲线和脱附曲线不重合,表现出滞后环,说明其结构中不仅存在微孔结构,也存在较多的介孔.一般说来,PPy的负载会堵塞生物炭材料的孔隙,从而导致其孔体积下降[10].但本研究中PPy结构更为松散,提高了LB/PPy复合材料比表面积和孔体积,而介孔结构的产生也是由PPy在负载过程中球状聚集导致的,这些结构使LB/PPy生物炭具有更丰富的孔隙度,暴露了更多的吸附位点.此外,LB/PPy的平均孔径为5.81nm大于LB的平均孔径,且具有更高的比表面积217.25m2/g和总孔体积0.3154cm3/g,这更有利于目标物的吸附和扩散.综上所述,改性前的生物炭材料较为均质,主要是以单一的微孔结构为主,而改性后的LB/PPy具有分级多孔结构,提高了吸附性能.

图2 LB和LB/PPy N2吸附-脱附曲线与孔径吸附

表1 LB和LB/PPy的比表面积和孔结构参数表

2.1.2 FTIR分析 除了比表面积等物理性质,材料表面官能团结构组成更是直接决定材料与吸附剂间的相互作用力.从整体来看,改性后的LB/PPy具有更加丰富的官能团结构组成(图3).在未改性的红外图谱中可观察到两个明显的特征峰,其中3431cm-1附近的宽峰属于O—H伸缩振动吸收峰;1006cm-1处有强而宽的峰可归为C—O的伸缩振动,表明未改性活性炭表面存在大量结构组成较为单一的含氧官能团(可能以醚键为主).改性后的LB/PPy红外图谱较为复杂,在3431cm-1附近的特征峰可归因于O—H和聚吡咯分子中N—H的伸缩振动吸收叠加峰,该峰发生减弱,表明O—H和N—H可能是材料的关键结合位点;位于1541,1305和1039cm-1处的峰分别为吡咯环中的C=C的伸缩振动以及C—N伸缩振动峰与弯曲振动;1168cm-1处的峰是芳环的C—H弯曲振动; 901cm-1为CH2的弯曲振动所致;此外,观察到788cm-1附近的Fe-OH伸缩振动,可能是氯化铁掺杂所致[16-18].以上结果表明PPy与生物炭发生了明显的化学键合,尤其是PPy环状结构及含氮官能团的成功引入可在特异性吸附阴离子(F-)方面展示出巨大潜力.

图3 LB与LB/PPy的FTIR图

2.1.3 XPS分析 吡咯中的N—H结构和氟离子能够形成具有N—H~F-特征的复合物,为PPy改性生物炭对F-识别与结合提供了关键的吸附位点[19].研究采用XPS进一步揭示改性前后材料的主要元素组成及N元素的价态分布(图4).经过PPy改性后,LB出现了属于聚吡咯中吡咯分子的明显的N元素峰信号以及Cl元素峰.其中Cl的出现是因为FeCl3作为氧化剂氧化聚合PPy,由于PPy中部分氮原子带正电,Cl-作为阴离子与分子链上的N+相结合,平衡正电荷使其呈电中性[20].同时,在LB/PPy中,Cl-具有更加活泼的特点,能够与水中的氟离子进行置换[21].从XPS元素半定量的结果(表2)同样可看出,LB/PPy的N含量由0.65at%增加到9.2at%,表明氮元素主要来源于吡咯分子五元氮杂环结构.N1s的XPS高分辨谱进一步证明了N元素的价态分布,位于400.9, 399.9和399.7eV处的峰拟合结果分别对应于N+、—NH—和—N=,N+的存在表明结合后的吡咯具有较高的阴离子吸附性能,—NH—和—N=中的H同样可以提供静电作用或者氢键作用位点,继而提升对阴离子的吸附能力.此外,高氮含量影响材料的表面电荷分布,使材料带正电荷,从而为阴离子提供了丰富的吸附位点,提高材料对阴离子的整体吸附容量.

表2 LB和LB/PPy的表面元素分析

2.2 LB/PPy吸附性能分析

2.2.1 吸附动力学模型拟合 采用准一级(式(3))、准二级(式(4))、内扩散(式(5))吸附动力学方程,拟合聚吡咯改性生物炭对氟离子去除的吸附机制,其表达式如下:

式中:q和e分别为任意时间(min)和吸附平衡时吸附质在吸附剂上的吸附容量,mg/g;1为准一级方程的动力学常数,min-1;2为准二级方程的动力学常数,g/(mg/min);k为颗粒内扩散速率常数,mg/ (g/min-0.5);为与边界层厚度相关的常数,mg/g.

由表3可知,准一级动力学对LB/PPy吸附氟离子的拟合度较差(2=0.659),准二级动力学拟合度较好(2=0.965),且拟合的e值与实验测得值基本相当,表明LB/PPy吸附氟离子的动力学过程符合准二级动力学模型,且吸附的过程以化学吸附为主,吡咯与F-间形成了共价键,N+可能在共价结合过程中起到较为关键的作用.通过拟合结果(图5)可将F-吸附过程划分为3个阶段:表面吸附、颗粒内扩散和吸附平衡在内的复合吸附过程[22].

表3 准一级、准二级吸附动力学模型拟合参数

表4 颗粒内扩散模型拟合参数

图5 LB/PPy吸附氟离子动力学拟合曲线

在表面吸附阶段,吸附速率较快且拟合程度较好,是由于固/液两相间存在较大的氟离子浓度差,使得传质推动力较大[23];当吸附剂的外表面饱和后,氟离子向颗粒内扩散,由于传质阻力增大,颗粒内扩散阶段的吸附速率明显下降;最后F-被吸附剂孔道内部吸附,称为平衡阶段,该阶段较为缓慢.由于内扩散模型拟合直线不经过原点,所以颗粒内扩散步骤并不是唯一的控制因素,但第二阶段速率常数的降低可以证明颗粒内扩散过程是速率限制步骤.总之,颗粒内扩散模型图分为3段,说明LB/PPy材料吸附F-的过程较为复杂,吸附速率由外表面扩散和颗粒内扩散共同控制[24].

2.2.2 吸附等温线 吸附等温线采用Langmuir模型(式6)和Freundlich模型(式7)进行模拟.两种模型的表达式为:

式中:e为吸附平衡时的氟离子浓度,mg/L;e为平衡时吸附剂对氟离子的吸附量,mg/g;max为吸附剂表面完全单分子层吸附时的最大吸附量,mg/g;L为Langmuir吸附常数,L/mg;f为Freundlich常数,mg/g,与吸附容量有关;与能量异质性(平均能量)即吸附强度有关.

表5 LB/PPy的吸附等温线拟合参数

由表5结果可知,两种等温曲线在LB/PPy对氟的吸附均能较好的拟合(2大于0.94)[25],但在10,20, 30℃条件下,Langmuir模型的拟合系数2高于Freundlich模型,揭示氟离子在LB/PPy吸附行为上更趋向于单分子均匀吸附[26].且Freundlich模型拟合参数结果显示,1/n值处于0.1~0.5范围内,说明氟离子受吡咯阴离子识别性能的影响易于被LB/PPy吸附[27].

由图6可以看到,随着氟离子浓度的增加,吸附逐渐趋于平衡,在40℃时改性生物炭材料LB/PPy对氟离子的吸附性能最强,最大单分子层吸附容量为45.34mg/g.随着实验温度的上升,最大吸附容量增加,这一特性表明F-在LB/PPy的吸附为吸热反应.对比LB/PPy与不同改性除氟生物炭的吸附性能(表6),LB/PPy可以提高其对氟离子的吸附性能,相较于其他吸附剂具有一定的优势.

表6 改性生物炭除氟性能比较

图6 LB/PPy对氟离子的吸附等温线模型拟合曲线

2.2.3 吸附热力学分析 通过热力学参数吉布斯自由能变化(D0,kJ/mol)、标准焓变(D0,kJ/mol)及标准熵变化(D0,kJ/mol/K)可以了解在吸附过程中颗粒内部能量变化的信息,在设定温度下,若D0£0,则该反应可以自发进行.这些参数可以由吸附平衡常数0(ml/g)计算得到,如式(8)~(10).

式中:D0为吉布斯自由能,kJ/mol;为理想气体状态常数,=8.314J/mol/K;为绝对温度,K;D0为焓变,kJ/mol;D0为熵变,kJ/mol/K.

表7 吸附热力学参数

由计算结果得出,在温度为283.15~313.15K范围内,该吸附反应体系Δ0均小于零,可以表明该过程为自发反应过程.标准焓变Δ0大于零,则该吸附过程为吸热反应.通常情况下,吸附热的绝对值小于20kJ/mol为物理吸附,大于20kJ/mol为化学吸附,LB/PPy吸附过程中标准焓变Δ0为23.27kJ/mol,则该吸附过程为化学吸附为主,这一结果与吸附等温线拟合结果相一致.标准熵变化Δ0,可以反应整个吸附过程体系中混乱程度的增加或减小,LB/PPy吸附过程中Δ0大于零,表明该吸附反应为熵增的过程,原因可能是在吸附过程中交换点位上更活泼的离子被F-所交换下来,导致吸附过程中混乱度增大[31].

2.3 LB/PPy除氟影响因素分析

2.3.1 溶液pH值及投加量影响 溶液初始pH值能够直接影响吸附材料的化学性质与吸附质在溶液中的存在形态.本研究测试了LB/PPy材料在pH值为4.0~12.0范围内,对氟的去除效果.如图7所示,该吸附材料在pH值为8.0~10.0时吸附容量保持在较高水平,在10.0时吸附量最大.在pH值为4~6范围内,去除率下降是因为其在弱酸条件下,溶液的H+会与F-生成弱电离氢氟酸,使得吸附剂与F-的库伦引力降低[32],随着pH值的升高,生物炭吸附位点上的OH-会被F-取代从而增大氟的去除率[33],但是pH值过高溶液中的OH-浓度增加,会与F-产生竞争吸附.且伴随H+的减少,质子化官能团去质子化,使得吸附剂表面带负电会阻碍其对氟的静电吸引作用,从而抑制其对氟的吸附[34].虽然pH值为8~10范围前后吸附容量较低,但该材料总体吸附去除率达到74%以上,表明LB/PPy在较为广泛的pH值范围能够实现对氟离子的良好去除.原因可能是较广的pH值范围使PPy分子表面发生极化作用[35],该作用的发生使N—H上N—H键更长和(N—)H…Cl距离更短,使受体对氯离子键合能力更强,从而有更广泛的适用范围.

图7 溶液初始pH值对氟去除效果的影响

图8 LB/PPy投加量对氟去除效果的影响

LB/PPy的吸附性能与投加量(图8)呈现明显正相关,在投加量为0.5g/L时吸附逐渐趋于稳定.当LB/PPy投加量由0.1g/L增加至0.2g/L时,增幅最为明显.综合考虑改性生物炭材料的除氟效果以及成本控制,当氟离子标准溶液初始浓度为10mg/L时,LB/PPy材料的最佳投加量为0.6g/L,此时去除率达到97.76%.有研究表明[36],吸附材料在投加量较低的情况下,投加量与吸附点位数目呈正比,提高了吸附点位与氟离子的碰撞几率,使得吸附除氟率增大;而随着投加量的进一步增大,去除率增加不明显,原因是溶液中材料之间相互贴近,使得吸附位点的利用效率降低.

2.3.2 共存离子的影响 在自然环境下,湖泊水体中存有许多与氟离子产生竞争的阴离子,如Cl-、SO42-、HCO3-及CO32-离子等,会影响吸附除氟效果.本实验分别探究了不同共存离子对改性材料吸附氟离子过程的影响(图9).

在不同浓度、不同种类共存离子的存在条件下,并未对吸附氟反应产生显著影响.虽然有研究表明,HCO3-及CO32-离子的存在会对水体pH值有所影响[37-38],但是LB/PPy材料具有较广的pH值适用范围,所以这一条件并不能对吸附容量产生影响. Hayes等[39]指出,氟离子吸附过程包括特异性吸附和非特异性吸附,在特异性吸附过程中,氟吸附过程会受到特异性共存离子的影响,不会受到非特异性离子的影响,非特异性过程与此相反;其中特异性离子有OH-、PO43-和AsO43-等,非特异性离子有Cl-、SO42-等[40].因此,LB/PPy吸附氟的过程属于特异性吸附,体现了吡咯材料的阴离子识别效应.Hayes等[39]还指出,可以根据离子与材料表面吸附点位结合强度的大小将吸附分为内界相关和外界相关.在内界相关中,因为吸附质与吸附位点的结合强度大,所以受到共存离子的影响小;而外界相关中,两者之间的结合强度小,所以受到共存离子的影响较大.在本次的研究中,LB/PPy吸附氟过程中,吸附容量未受到显著影响,所以符合内界相关吸附过程.

图9 共存离子对氟的去除效果影响

2.4 LB/PPy的特异性吸附机理

本研究将适应不同种类阴离子的吡咯物质与生物炭相结合(图10),使生物炭对氟离子的识别作用增加以提高整体净化效果.综合上述表征及动力学模型分析结果表明,吡咯在改变生物炭比表面积等物理性质的同时,将大量的正电荷引入生物炭表面,使LB/PPy对水中氟离子的吸附以化学键合为主,吡咯中N+是共价结合的关键结合位点.而在不同水溶液条件下,pH值等一些能够影响阴离子键合的竞争因素会影响受体对阴离子的键合能力,而大量的含氮官能团可以在此时提供静电作用或者氢键作用位点,因此材料在环境因素干扰下仍能保证良好的吸附效果.总之,LB/PPy可以有针对性的去除污染水体中的氟离子,并展现出了良好的稳定性与极高的应用价值.

图10 LB/PPy吸附氟离子机理

3 结论

3.1 改性后的LB/PPy,表面形态及其孔隙结构有显著提高,元素组成及其官能团丰度的改变有利于氟的吸附.

3.2 LB/PPy对水中氟离子的吸附符合准二级动力学,以化学吸附为主,同时该吸附过程可以自发进行,属于吸热过程,对氟离子的吸附受到外表面扩散和颗粒内扩散共同控制.

3.3 LB/PPy去除氟离子的最适pH值范围为8~10.在吸附剂投加量为0.6g/L时,有较好的除氟效果.溶液中的共存离子对LB/PPy吸附氟无显著影响,说明LB/PPy具有较好的适应性.

3.4 LB/PPy对氟的吸附机理有物理吸附、化学吸附、静电吸附,其主要机理是氟离子与生物炭表面的含氮官能团发生静电作用.

[1] Han J, Kiss L, Mei H, et al. Chemical aspects of human and environmental overload with fluorine [J]. Chemical Reviews, 2021, 121(8):4678-4742.

[2] Zhang W, Pang S, Lin Z, et al. Biotransformation of perfluoroalkyl acid precursors from various environmental systems: advances and perspectives [J]. Environmental Pollution, 2020,272:115908.

[3] Rahman M F, Peldszus S, Anderson W B. Behaviour and fate of perfluoroalkyl and polyfluoroalkyl substances (PFASs) in drinking water treatment: A review [J]. Water Research, 2014,50(mar.1):318- 340.

[4] Prabhu S M, Elanchezhiyan S S D, Lee G, et al. Defluoridation of water by Tea-bag model using La3+modified synthetic resin@ chitosan biocomposite [J]. International journal of biological macromolecules, 2016,91:1002-1009

[5] 阮中原.多壁碳纳米管/羟基磷灰石复合物制备及对氟离子吸附性能研究 [D]. 兰州:兰州大学, 2017.

Ruan Z Y. Preparation of multi-walled carbon nanotubes/ hydroxyapatite composites and their adsorption properties for fluoride ions [D].Lanzhou: Lanzhou University, 2017.

[6] Pan X, Gu Z, Chen W, et al. Preparation of biochar and biochar composites and their application in a Fenton-like process for wastewater decontamination: A review [J]. Science of The Total Environment, 2020,754:142104.

[7] Hasan M N, Shenashen M A, Hasan M M, et al. Assessing of cesium removal from wastewater using functionalized wood cellulosic adsorbent [J]. Chemosphere, 2021,270:128668.

[8] Liu R, Wang H, Han L, et al. Reductive and adsorptive elimination of U(VI) ions in aqueous solution by SFeS@Biochar composites [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2021,28:55176- 55185.

[9] 高 亮,李志合,易维明,等.棉秆生物炭去除水中Pb(Ⅱ)吸附机理的量化分析 [J]. 农业工程学报, 2022,38(3):230-238.

Gao L, Li Z H, Yi W M, et al. Quantitative analysis of Pb(Ⅱ) adsorption mechanism in cotton stalk biochar removal water [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2022,38(3):230-238.

[10] 吕续永.聚吡咯改性果木炭的制备及对水中氟吸附效果研究 [D]. 乌鲁木齐:新疆农业大学, 2021.

Lyu X Y. Preparation of polypyrrole modified fruit charcoal and its adsorption effect on fluorine in water [D]. Urumqi: Xinjiang Agricultural University, 2021.

[11] Zhou D, Zhao B, Bai Y, et al. Exploring the structure and complexation dynamics of azide anion recognition by calix[4] pyrroles in solution [J].The journal of physical chemistry letters, 2022,13:669- 675.

[12] Karges Johannes, Cohen Seth M. Preorganized homochiral pyrrole-based receptors that display enantioselective anion binding [J]. European Journal of Organic Chemistry, 2022,(16):1-8.

[13] Li L, Xue Y W, Hu X L, et al. Study on the influence of surface potential on the nitrate adsorption capacity of metal modified biochar [J]. Environmental science and pollution research international, 2019,26(3):3065-3074.

[14] Li Q S, Xu M S, Zhou G J, et al. Preparation and characterization of white bamboo charcoal PET fiber [J]. Chinese Chemical Letters, 2010, (21):995-998.

[15] 李春鹭.聚吡咯负载花生壳质生物炭去除水中氟的研究 [D]. 北京:中国地质大学(北京), 2017.

Li C L. Study on removal of fluorine from water by polypyrrole loaded peanut shell biochar [D].Beijing: China University of Geosciences (Beijing), 2017.

[16] Ullah Rizwan, Khan Nadia, Khattak Rozina, et al. Preparation of electrochemical supercapacitor based on polypyrrole/gum arabic composites [J]. Polymers, 2022,14(2):242.

[17] Diauudin F N, Noor S, Rashid J, et al. Preparation and characterisation of polypyrrole-iron oxyhydroxide nanocomposite as sensing material [J]. Advances in Materials Science and Engineering, 2020,2020(2): 1-11.

[18] Sravanthi M, Manjunatha K G. Synthesis and characterization of conducting polypyrrole with various dopants [J]. Materials Today: Proceedings, 2021,46(13):5964-5968.

[19] Oh T K, Choi B, Shinogi Y, et al. Effect of pH conditions on actual and apparent fluoride adsorption by biochar in aqueous phase [J]. Water Air and Soil Pollution, 2012,223(7):3729-3738.

[20] Bajpai S K, Rohit V K, Namdeo M. Removal of phosphate anions from aqueous solutions using polypyrrole-coated sawdust as a novel sorbent [J]. Journal of Applied Polymer ence, 2010,111(6):3081-3088.

[21] Johanson U, Marandi M, Tamm T, et al. Comparative study of the behavior of anions in polypyrrole films [J]. Electrochimica Acta, 2005,50(7/8):1523-1528.

[22] 刘总堂,邵 江,李 艳,等.碱改性小麦秸秆生物炭对水中四环素的吸附性能研究 [J]. 中国环境科学, 2022,42(8):3736-3743.

Liu Z T, Shao J, Li Y, et al. Adsorption of tetracycline in water by alkali-modified wheat straw biochar [J]. China Environmental Science, 2022,42(8):3736-3743.

[23] 吴鸿伟,陈 萌,黄贤金,等.改性生物炭对水体中头孢噻肟的吸附机制 [J]. 中国环境科学, 2018,38(7):2527-2534.

Wu H W, Chen M, Huang X J, et al. Preparation of modified biochar for adsorption of cefotaxime in solution [J]. China Environmental Science, 2018,38(7):2527-2534.

[24] 刘秀芸,王 刚,雷雨昕,等.巯基改性玉米秸秆对水中Cu(Ⅱ)的吸附特性 [J]. 中国环境科学, 2022,42(3):1220-1229.

Liu X Y, Wang G, Lei Y X, et al. Adsorption of Cu(Ⅱ) in water by mercapto modified corn straw [J]. China Environmental Science, 2022,42(3):1220-1229.

[25] 马志强,胥思勤,姬江浩,等.改性水稻生物炭对水体中Sb(Ⅲ)的吸附 [J]. 中国环境科学, 2021,41(6):2706-2716.

Ma Z Q, Xu S Q, Ji J H, et al. Adsorption of Sb(Ⅲ) in water by modified rice biochar [J].China Environmental Science, 201,41(6): 2706-2716.

[26] Taiwan Liao, Ting Li, Xiangde Su, et al. La(OH)3-modified magnetic pineapple biochar as novel adsorbents for efficient phosphate removal [J]. Bioresource Technology, 2018,263:207-213.

[27] 梅丽萍.锆改性挤压茶渣和茶籽壳生物炭除氟性能探究 [D]. 合肥:安徽农业大学, 2020.

Mei L P. Study on the defluoridation of extruded tea residue and tea seed shell biochar modified by zirconium [D]. Hefei: Anhui Agricultural University, 2020.

[28] Rajan M, Alagumuthu G. Study of fluoride affinity by zirconium impregnated walnut shell carbon in aqueous phase: Kinetic and isotherm evaluation [J]. Journal of Chemistry, 2013,235048:1-8.

[29] Sujitha R, Ravindhranath K. Defluoridation studies using active carbon derived from the barks of Ficus racemosa plant [J]. Journal of Fluorine Chemistry, 2017,193:58-66.

[30] Mullick A, Neogi S. Acoustic cavitation induced synthesis of zirconium impregnated activated carbon for effective fluoride scavenging from water by adsorption [J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2018,45:65-77.

[31] Archana A, Sahu K K. Kinetic and isotherm studies of cadmium adsorption on manganese nodule residue [J]. Journal of Hazardous Materials, 2007,137:915-922.

[32] Zhang J, Brutus T E, Cheng J, et al. Fluoride removal by Al, Ti, and Fe hydroxides and coexisting ion effect [J]. Journal of Environmental sciences, 2017,57:190-195.

[33] 骆春会.牦牛粪生物炭制备及其去除水中砷和氟的研究 [D]. 天津:天津大学, 2018.

Luo C H. Preparation of biochar from yak dung and its removal of Arsenic and fluorine from water [D]. Tianjin: Tianjin University, 2018.

[34] 周 洁.杂原子掺杂生物炭对水中Cr(Ⅵ)的吸附性能研究 [D]. 泰安:山东农业大学, 2022.

Zhou J. Study on the adsorption performance of Cr (Ⅵ) in water by heteratom-doped biochar [D]. Taian: Shandong Agricultural University, 2022.

[35] 冯江涛,王 睎,赵旭阳,等.改性聚吡咯材料去除水中氟离子的性能 [J]. 化工进展, 2021,40(7):4036-4046.

Feng J T, Wang X, Zhao X Y, et al.Removal of fluoride ions from water by modified polypyrrole materials [J].Chemical Industry Progress, 2021,40(7):4036-4046.

[36] Rao R A K, Rehman R. Adsorption studies on fruits of Gular (): Removal of Cr(VI) from synthetic wastewater [J]. Journal of Hazardous Materials, 2010,181(1-3):405-412.

[37] Gheju M, Balcu I, Mosoarca G. Removal of Cr(VI) from aqueous solutions by adsorption on MnO2[J]. Journal of hazardous materials, 2016,310 (jun. 5):270-277.

[38] Yan H A, Lcn B, Xz A, et al. Catalytic degradation of ciprofloxacin by magnetic CuS/Fe2O3/Mn2O3nanocomposite activated peroxymonosulfate: Influence factors, degradation pathways and reaction mechanism [J]. Chemical Engineering Journal, 2020,388: 124274.

[39] Hayes K F, Leckie J O. Modeling ionic strength effects on anion adsorption at hydrous oxide/solution interfaces [J]. Journal of Colloid & Interface Science, 1987,115(2):564-572.

[40] 张 宏,朱振亚,姜英宇,等.壳聚糖和FeS改性生物炭吸附四环素:吸附机制与位能分布 [J]. 环境科学学报, 2020,40(12):4306-4317.

Zhang H, Zhu Z Y, Jiang Y Y, et al. Tetracycline adsorption by chitosan and FeS modified biochar: Adsorption mechanism and potential energy distribution [J].Journal of Environmental Sciences, 2020,40(12):4306-4317.

Study on the adsorption characteristics of polypyrrole-modified biochar to fluorine.

YANG Wen-huan1, XU Yan1, DENG Zi-wei1, ZHOU Xin1, BAI Miao-xin2, LI Wei-ping1*

(1.School of Energy and Environment, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China;2.Inner Mongolia Academy of Ecological and Environmental Sciences Co., Ltd, Hohhot, 010010, China)., 2023,43(2):592~600

An adsorbent material (LB/PPy) with specific adsorption of anions was prepared by modifying reed-bottom biochar (LB) with polypyrrole (PPy) and achieving efficient removal of fluoride ions from water bodies. The LB/PPy material was structurally characterized by scanning electron microscopy (SEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), pore size analyzer (BET), and Fourier infrared spectroscopy (FTIR), and the adsorption kinetics and key influencing factors of LB/PPy on fluoride ions were investigated by batch adsorption experiments, which revealed the specific adsorption mechanism of the material on fluoride ions. PPy increased the adsorption kinetics of LB/PPy on fluoride ions by the quasi-secondary kinetic model, the adsorption process has both physical and chemical adsorption, but mainly chemical bonding. The maximum adsorption capacity was 45.34mg/g at 40℃. The adsorption capacity increased with the increasing temperature. The optimum pH value of this material was from 8 to 10 to remove fluoride ions. It could ensure the good specific adsorption capacity of fluoride ions in the presence of multiple ions, which has a high application value.

biochar;polypyrrole modification;fluoride ion;the adsorption mechanism

X703.5

A

1000-6923(2023)02-0592-09

杨文焕(1980-),女,内蒙古包头市,内蒙古科技大学能源与环境学院副教授,主要从事河湖生态修复治理.发表论文20余篇.

2022-06-27

国家自然科学基金资助项目(42167018);国家重点研发计划项目(2019YFC0409204);内蒙古自治区科技计划项目(2020GG0208)

* 责任作者, 教授, sjlwp@163.com

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