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活性炭纤维对水中痕量六价铬的吸附性能研究
作者:管理员    发布于:2017-10-25 14:02:37    文字:【】【】【

  实验技术与方法活性炭纤维对水中痕量六价铬的吸附性能研究李善评,王俊,李冲,崔江杰,方洪琛(山东大学环境科学与工程学院山东省水环境污染控制与资源化重点实验室,山东济南250100)性处理,对改性处理的PAN-ACF样品进行表征,包括SEM表面形态、比表面积BET、傅里叶变换红外线光谱(FTIR)表面基团以及总表面酸性基团;研究对痕量六价铬的吸附效果,分析PAN-ACF改性对吸附容量的影响。经过过氧化氢浸渍改性处理的ACF3炭微晶尺度变小,导致结构无序化,较大地提升了比表面积,但表面含氧官能团增势不明显;其对微污染水中六价铬的吸附效果佳,吸附等温线相对于Langmuir方程,更符随着金属铬及铬盐在工业生产中的大量应用,如电镀、皮革鞣质、油漆、纺织等行业,间接导致了含铬废水的大量产生及排放。由于含铬废水的不妥当处理以及雨水对含铬固体废弃物(如铬渣)的淋溶等,在一定程度上增加了饮用水的安全风险。六价铬对皮肤、基金项目:国家科技支撑计划资助项目(2006BA012)所长,研究方向为环境污染防治理论与工程技术。

  呼吸系统、消化系统及肝脏等都有损害作用,其高容许排放质量浓度:总铬为1.5mg/L,六价铬为0.5从水溶液中去除六价铬的主要方法有活性炭吸附法、超滤法、反渗透法和离子交换法4等。由于吸附技术设计简单、操作方便和较容易再生,且能对水溶液中的六价铬有较好的去除效果,所以吸附技术得到较广泛应用。活性炭纤维(ACF)作为新型吸附剂在净水领域中得到了日益广泛的应用,对ACF进行改性处理可以较明显改变其表面官能团、比表面积及微观结构等特性,从而可以根据需要对其进行适度的功能设计。研究分析ACF在接近自然状态下对饮用水中痕量铬的吸附机理有一定的实用意义。

  1实验1.1实验材料、药品与仪器材料:聚丙烯腈基活性炭纤维(PAN-ACF,单丝直径810pm,南通森友炭纤维有限公司)。

  药品:重铬酸钾、二苯碳酰二肼、丙酮、硝酸、双氧水、盐酸、氢氧化钠、碳酸氢钠、无水碳酸钠(均为分析纯级别)。

  炉、HY-2A多用调速振荡器、SM-6700F型冷场发射扫描电子显微镜(EOL日本电子)、QuadrasorbSI型全自动比表面和空隙度分析仪(美国Quantachrome仪器公司)、ThermoNicoletAvatar370傅里叶变换红外光谱测定仪(美国热电尼高力公司)。

  1.2实验用水配制含六价铬的微污染水由实验室配制,其初始六价铬浓度分别设定为50 /L(生活饮用水中卫生标准)和100pg/L.配制方式如下:准确称取于110°C条件下干燥4h后的重铬酸钾0.0001g,用蒸馏水溶解后,移入1000mL容量瓶中,用水稀释至标线后摇匀,1mL溶液中含0.10mg六价铬,将此溶液经蒸馏水稀释到相应倍数后使用。

  实验方法PAN-ACF的预处理000mL烧杯中,加入蒸馏水,将煮沸清洗后的PAN-ACF取出放置于烘箱中,在60C下烘干后取出密封保存。

  1.3.2PAN-ACF的改性及其表征为了分析PAN-ACF表面基团、带电性及比表面积等表面特性对吸附过程的影响,按照氧化改性的方法获得表面特性有所差异的PAN-ACF样品,具体操作方法如下:称取一定量PAN-ACF,放入大烧杯中,加入适量蒸馏水煮沸3h后取出,期间每隔1h换1次水;取出后置于烘箱中,并在100C的条件下烘干;然后放入干燥器中冷却5min后密封保存,记为ACF0.以下几种吸附剂均采用相同的干燥、冷却和保存方法;在有空气存在的条件下,称取一定量PAN-ACF置于马弗炉中,在400C下对PAN-ACF加热氧化2h制得样品,记为ACF1;称取一定量PAN-ACF样品放入盛有质量分数为65的HNO3的锥形瓶中,在室温条件下,振荡浸泡2h;取出后用去离子水冲洗至中性,制得样品,记为ACF2;称取定量PAN-ACF原样,置于质量分数为30的过氧化氢(H2O2)中于室温下静置浸渍0.5h,取出后用去离子水冲洗,制得样品,记为ACF3.对改性处理的PAN-ACF样品进行表征,包括SEM表面形态、BET比表面积、FTIR表面基团以及总表面酸性基团。

  对吸附效果的影响为了进一步对比改性前后PAN-ACF对六价铬的去除效果,在室温22°C、pH约为7. 2时,于一系列100mL初始质量浓度为100pg /L的水样中分别加入0.5g吸附剂,并于恒温水浴振荡器中低速振荡吸附,在不同的时间间隔测定水中剩余六价铬的浓度。

  吸附等温线在一系列容积为500mL的烧杯中分别加入100mL初始质量浓度为2,在室温22C时分别加入0. 5gPAN-ACF吸附剂,于振荡器中低速振荡吸附300min至平衡,测定平衡后六价铬浓度Q,计算其他相关数据,绘制吸附等温线。

  2结果与讨论PAN-ACF的改性及其表征SEM图表面形态对比槽结构更加清晰,粗糙度有所增加。ACF3表面微观结构变化为明显,比改性前ACF0出现了清晰的刻蚀痕迹,说明H2O2浸渍氧化对GAC-ACF表面造成一定程度的破坏,形成更加丰富的微观缝隙。

  2.1.2对比表面积的影响用QuadrasorbSI型全自动比表面和空隙度分析仪,低温氮吸附进行BET比表面测定,测得ACF1、ACF2、ACF3改性后,比表面积变化明显:ACF2、ACF3比表面积有所增长,其中ACF3提升到1 029.5m2/g.可见,在硝酸浸渍、过氧化氢浸渍改性过程中对PAN-ACF表面结构刻蚀的同时,也形成了丰富的孔隙结构。ACF1却下降到311.4m2/g,这可能是因为在加热氧化的过程中,PAN-ACF表面生成的表面官能团对微孔造成了一定程度的堵塞,占据了PAN-ACF对氮的吸附位点所致。

  改性PAN-ACF微观结构5000倍SEM.1.3对表面官能团种类的影响580cm-1附近均出现明显的吸收峰,只是强度上有所差别;除此之外,3个改性的ACF样品在10002000cm-1区间内还有其他较弱的吸收峰。可见,ACF0―ACF3表面活性官能团中以含氧官能团为主。

  2.1.4对含氧官能团数量的影响测得的含氧官能团数量见表1.表1PAN-ACF表面含氧官能团样品羧基数量内脂基数量酚羟基数量官能团数量均有较明显增加,而ACF3表面酚羟基官能团数量变化不大,内脂基数量有所增加,表面羧基数量反而减少。

  ACF1表面含氧官能团增势明显,这可能是因为在空气存在条件下,400°C时PAN-ACF与空气中氧反应,因而在其表面产生了较多的含氧官能团。

  采用热氧化、硝酸浸渍、过氧化氢浸渍对PAN-ACF进行改性处理,从SEM和BET比表面积分析数据来看,过氧化氢对PAN-ACF表面微观结构蚀刻明显,表面结构混乱程度加剧,表明经过氧化氢浸渍后的PAN-ACF中炭微晶尺度变小,导致结构无序化,较大地提升了比表面积,但表面含氧官能团增势不明显。

  强酸浸渍炭材料时使炭的表面杂原子及不定形碳分解脱除,但较高浓度的HN3在对PAN-ACF进行浸渍处理时,初始反应过于剧烈,比表面积的提升并不明显。在空气热氧化改性的过程中,PAN-ACF表面产生了较多的含氧官能团,但4 00°C的条件下,其微观表面特征变化不是特别明显,可能由于含氧官能团的生成占据了PAN-ACF对氮的吸附位点,导致低温氮吸取量减小,比表面积呈降低状态。

  时间对4种吸附剂吸附效果的影响2.2对吸附效果的影响在pH为7.2、水温为22C时,在一系列锥形瓶中加入100mL初始浓度为110yg/L的水样,分别投加吸附剂吸附300min后,测定六价铬浓度ce,结果见。

  改性PAN-ACF对质量浓度的影响由可知,在吸附300min后,ACF2和ACF3的吸附效果较ACF0提升明显,铬的质量浓度(平衡质量浓度)分别为22yg/L和8邱/L,远低于ACF0的为了进一步对比4种吸附剂对六价铬的去除效果,在pH为7. 2、室温22C时,于一系列100mL初始质量浓度为108yg/L的水样中分别加入0.5g吸附剂静置吸附,在不同的时间间隔测定水中剩余Cr(VI)的质量浓度,结果见。

  由可以明显看出,ACF1较原样(ACF0)变化不大,ACF2和ACF3较原样的去除效果提升明显,其中ACF3效果佳,吸附进行300mn后,六价铬浓度对比分析ACF0―ACF3的表面特性差异,可见在对六价铬的吸附过程中,以微孔为主的PAN-ACF比表面积的提升有利于自然pH条件下(接近中性)对水中六价铬的吸附,表面含氧基团对六价铬吸附的影响并不占主导因素。

  2.3吸附等温线附效果佳的ACF3的吸附数据进行拟合。

  在一系列容积为500mL的烧杯中分别加入100mL初始质量浓度为25、50、75、100、125、150、175、200、225yg/L的模拟水样,pH约为7.2,在室温22C时分别加入0.5gACF3,于振荡器中低速振荡吸附300mm至平衡,测定平衡后六价铬浓度c,计算其他相关数据,用Langmuir方程和Freundlich方程绘制吸附等温线见。

  浙江工业大学,2009.惠云玲,李荣,林志伸,等。混凝土基本构件钢筋锈蚀前后性能的实验研究。工业建筑,1997,平树江,吴晓锁,王军强,等。人工气候环境下“双掺”高性能混凝土内钢筋加速腐蚀试验研究。混凝土,2005(3):53-55.姬永生,袁迎曙。干湿循环作用下氯离子在混凝土中的侵蚀过程卢振永,金伟良,王海龙,等。人工气候模拟加速试验的相似性设计。浙江大学学报:工学版,2009,43(6):1071-1076.袁迎曙,章鑫森,姬永生。人工气候与恒电流通电法加速锈蚀钢筋混凝土梁的结构性能比较研究。土木工程学报,2006(3)43-46.鲁列。荷载与氯盐环境下混凝土构件的腐蚀试验研究。杭州:浙江工业大学,2010.吴庆,袁迎曙,李洁勇。人工气候环境下锈蚀混凝土梁的结构性能退化研究。中国矿业大学学报,2007,36(4):441-445.(上接第30页)二1其中,c为吸附质的平衡质量浓度(Lg/L);ge为平衡吸附量(pg/g)Qmax为吸附剂表面单分子吸附层大吸附量(yg/L)x为Langmuir常数(yg/L)x与吸附剂同被吸附离子间亲和力有关,X越大,二者间的吸附能力越强。

  方程:其中,Kmg/g)为Freundlich常数,与吸附剂的吸附量有关;n为与吸附强度有关的FreundLich指数。

  等温线参数见表2.表2ACF3吸附Cr(VI)的等温线参数由表2可以看出,在相同的实验条件下,Langmuir方程的相关系数(只20.9488)比Freundlich相关系数小CR2二0.9584)小,可见ACF3在中性条件下对微污染水中六价铬的吸附更符合Freundlch方程。

  3结论氧化氢浸渍处理的ACF3中炭微晶尺度变小,导致结构无序化,较大地提升了比表面积,但表面含氧官能团增势不明显。

  处理的ACF3对六价铬的去除效果佳,吸附进行300min后,六价铬质量浓度低于20yg/L.经过氧化氢浸渍处理的ACF3在中性条件下对微污染水中六价铬的吸附更符合Feundlch方程。

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