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铬(Cr)是一种有毒重金属,常被应用于各种行业,如矿物提取、电镀、皮革鞣制等[1]。Cr在水体系中主要以2种氧化态存在:三价铬(Cr(Ⅲ))与六价铬(Cr(Ⅵ))。Cr(Ⅵ)的毒性远远高于Cr(Ⅲ)[2],世界卫生组织 (WHO)规定饮用水中Cr(Ⅵ)质量浓度不得超过0.05 mg·L−1。Cr(Ⅵ)通常以剧毒的HCrO4−和Cr2O72−形式存在于环境中,对人体健康构成极大风险。因此,寻找有效的方法去除水中Cr(Ⅵ)是非常必要的。
生物炭(biochar,BC)是一种在缺氧/厌氧条件下通过热解生物质制得的一种多孔炭材料[3]。制备BC的原料来源广泛,如市政污泥、废弃蛋壳、动物粪便和农作废弃物等[4]。BC具有较高的比表面积和发达的孔隙结构,可以有效吸附废水中的Cr(Ⅵ)[5]。不过,单一BC通查处理效果欠佳,因此,研究者考虑对生物炭进行改性处理,以提高生物炭材料对污染物的处理性能。近年来,纳米零价铁(nanoscale zero-valent iron,nZVI)逐渐成为纳米材料中的研究热点,nZVI具有较大的比表面积和较强的反应活性,因此,被广泛用于Cr(Ⅵ)的吸附还原[6]。然而,nZVI颗粒之间的团聚效应显著,限制了nZVI的性能[7]。不过,利用BC作为载体制备纳米铁改性生物炭(nZVI/BC),可以有效缓解nZVI的团聚效应,同时nZVI在BC表面的负载也提高了BC的吸附性能[8]。基于此,本研究选用污泥基生物炭为载体,制备纳米铁改性生物炭复合材料,通过一系列表征及吸附实验,拟探究nZVI/BC对液相中Cr(Ⅵ)的吸附性能及吸附机理,以期为废水中Cr(Ⅵ)的治理提供参考。
纳米铁改性生物炭制备及其对含铬废水的吸附性能
Preparation of nano iron-modified biochar and its adsorption performance on chromium-containing wastewater
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摘要: 本文针对废水中Cr(Ⅵ),以市政脱水污泥为原料,通过液相还原技术成功制得纳米铁改性污泥基生物炭(nZVI/BC),并考察了nZVI/BC对水中Cr(Ⅵ)的吸附性能和可能的吸附机理。表征结果表明,零价铁颗粒成功负载到生物炭表面且无明显团聚现象。吸附实验结果表明,初始pH、溶液初始Cr(Ⅵ)质量浓度对Cr(Ⅵ)的去除效果均有显著影响。nZVI/BC对Cr(Ⅵ)的吸附过程可以使用伪二级(PSO)吸附动力学模型拟合。吸附等温线拟合分析结果表明,nZVI/BC对Cr(Ⅵ)的吸附性能优于nZVI和BC。Cr(Ⅵ)的去除机制可能涉及其在nZVI/BC表面的化学还原,此外,nZVI/BC抗氧化性较强,且在一定条件下可实现再生处理。总体而言,作为一种环境友好型材料,nZVI/BC的应用为废水中Cr(Ⅵ)的去除可提供良好途径。Abstract: In this study, nano-iron modified sludge-based biochar (nZVI/BC) was successfully prepared by liquid phase reduction technology with municipal dewatered sludge as raw material for the treatment of hexavalent chromium (Cr(Ⅵ)) in wastewater. Its adsorption performance and possible mechanism to Cr (Ⅵ) was investigated. The characterization test results showed that zero-valent iron particles were successfully loaded onto the surface of biochar without obvious agglomeration. Cr(Ⅵ) adsorption experiments showed that the initial pH and initial Cr (Ⅵ) concentration of the solution significantly affected the removal efficiency of Cr(VI) by nZVI/BC. The reaction process of nZVI/BC with Cr(Ⅵ) could be well fitted by pseudo-second-order (PSO) adsorption kinetic model. The adsorption isotherm fitting analysis showed that the adsorption capacity of nZVI/BC towards Cr (Ⅵ) was better than that of nZVI or BC alone. The removal mechanism of Cr(Ⅵ) may involve its chemical reduction on the surface of nZVI/BC. In addition, nZVI/BC had a strong oxidation resistance, and could be regenerated under certain conditions. Overall, as an environmentally friendly material, the application of nZVI/BC provides a good way to remove Cr(Ⅵ) from wastewater.
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Key words:
- biochar /
- zero-valent iron /
- hexavalent chromium /
- redox
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表 1 NZVI/BC吸附动力学拟合
Table 1. The adsorption kinetics fitting of nZVI/BC
初始
pHnZVI/BC投加量/
(g·L−1)Cr(Ⅵ)初始浓度/
(mg·L−1)伪一级动力学 伪二级动力学 Qe k1 R2 Qe k2 R2 3.0 1.0 50.0 40.18 0.158 3 0.901 42.64 0.006 1 0.962 5.0 1.0 50.0 33.64 0.136 9 0.902 33.94 0.006 7 0.974 7.0 1.0 50.0 24.03 0.102 0 0.910 26.79 0.005 9 0.961 9.0 1.0 50.0 13.58 0.071 2 0.935 15.53 0.005 0 0.970 11.0 1.0 50.0 10.59 0.052 9 0.979 13.08 0.004 7 0.986 表 2 不同材料的吸附等温线拟合
Table 2. Adsorption isotherm fitting of different materials
吸附材料 Langmuir Freundlich Qmax/(mg·g−1) KL/(L·mg−1) R2 KF 1/n R2 BC 39.33 0.081 0.995 9.67 0.32 0.958 nZVI 50.64 0.91 0.999 44.58 0.04 0.931 nZVI/BC 61.09 0.85 0.999 51.95 0.04 0.901 表 3 每次再生处理过程中H2SO4和NaBH4溶液中Cr和Fe的含量
Table 3. The contents of Cr and Fe in H2SO4 and NaBH4 solution during each regeneration process mg
重复利用
次数酸溶液中
Cr含量NaBH4 溶液中
Cr含量酸溶液中
Fe含量NaBH4溶液中
Fe含量1 1.97 0.10 5.88 0.15 2 1.49 0.10 5.11 0.10 3 1.79 0.15 3.60 0.30 4 0.85 0.06 4.85 0.25 5 1.67 0.11 3.55 0.15 -
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