一步法低温合成二维CNx纳米材料及其对水中重金属离子的吸附性能

利用尿素和乙二胺四乙酸钠盐通过一步法低温固相裂解合成了二维纳米碳氮材料(2-D CN_x),实现了对水中重金属离子的吸附去除。系统地研究了2-D CN_x对水中重金属离子Cd~(2+)、Pb~(2+)和Cu~(2+)的吸附性能,其吸附动力学过程均符合准二级动力学模型,吸附等温线更符合Langmuir模型。结果表明:Cd~(2+)、Cu~(2+)和Pb~(2+)的初始浓度均为40 mg·L~(-1),在25℃下,达到平衡时吸附量分别达到了79.4、 58.5、 72.8 mg·g~(-1); 2-D CN_x在比较广泛的pH范围(3.0～9.0)内对重金属离子都具有比较好的吸附效果;吸附剂在吸附柱过滤穿透实验中表现出很好的吸附效果和可重复利用性,且具有良好的机械稳定性。进一步的机理分析探明,吸附主要基于材料表面的羟基和重金属离子交换及氨基与重金属离子的络合协同作用。     

改性玉米秸秆炭和花生壳炭对溶液中Cd~(2+)的吸附

对玉米秸秆和花生壳炭化制备的生物炭,运用高锰酸钾进行改性,研究其对Cd~(2+)的吸附效果。通过批次吸附实验,考察了两种改性生物炭对Cd~(2+)吸附的初始浓度、pH值、接触时间等因素的影响。结果表明,在pH为6.0,Cd~(2+)浓度为100 mg·L~(-1),温度为20℃,吸附时间为12 h,吸附剂投加量为1.0 g·L~(-1)条件下,改性玉米秸秆炭和花生壳炭对Cd~(2+)的去除率分别为67.03%和46.10%,与未改性的生物炭相比,吸附率分别提高了3.8倍和6.2倍。改性玉米秸秆炭和花生壳炭对溶液中Cd~(2+)的吸附均符合Langmuir和Freundlich等温吸附模型,最大吸附量分别为68.97和55.55 mg·g-1。两种改性生物炭的吸附行为均符合准二级吸附动力学模型,说明其吸附以化学吸附为主。改性玉米秸秆炭和花生壳炭吸附Cd~(2+)后,可用NaOH溶液进行解吸,解吸4次后,对Cd~(2+)仍有较好的吸附效果,吸附量分别为31.40和24.10 mg·g~(-1)。这说明,高锰酸钾改性玉米秸秆炭和花生壳炭是一种吸附性能高且能够重复利用的去除溶液中Cd~(2+)的吸附材料。     

固定床吸附柱处理含Mn~(2+)酸性矿山废水

为了探究同步去除酸性矿山废水(AMD)中酸度及重金属离子的新型多功能矿物环保材料,确定最佳运行方式,在固定床操作条件下,对比研究复合颗粒吸附柱、锰砂柱、复合颗粒-锰砂混合填充柱对AMD中酸度、Mn~(2+)的去除效果,确定小型连续流反应器的最佳吸附剂;在确定最佳吸附剂的基础上,对比研究升流淹没式、降流淹没式、降流非淹没式吸附柱对AMD中酸度、Mn~(2+)的去除效果,确定小型连续流反应器的最佳运行方式;并结合SEM、XRD等微观分析揭示复合颗粒动态吸附去除重金属离子的规律及机理。实验结果表明:3种吸附材料对Mn~(2+)的吸附容量关系为:PG柱(28.871 mg·g~(-1))PG-MS柱(16.935 mg·g~(-1))MS柱(2.194 mg·g~(-1));3种运行方式对Mn~(2+)的吸附容量关系为:降流非淹没式(28.817mg·g~(-1))升流淹没式(26.532 mg·g~(-1))降流淹没式(23.479 mg·g~(-1))。因此,固定床吸附柱处理含Mn~(2+)酸性矿山废水动态实验的最佳吸附材料为膨润土-钢渣复合颗粒,复合颗粒的最佳运行方式为降流非淹没式。PG在去除Mn~(2+)的过程中不仅存在吸附、化学沉淀等作用,还存在聚沉作用,即具有吸附-聚沉协同作用,并且Mn~(2+)在复合颗粒表面的赋存状态主要以Mn-Si-O相结合的矿物相以及Ca Mn7O12沉淀物存在。     

活体微藻对镉(Ⅱ)的富集机理

选取小球衣藻(Chlamydomonas microsphaera)、铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)、钝顶螺旋藻(Spirulina platensis)和四尾栅藻(Scenedesmus quadricauda)等4种微藻,通过室内模拟实验,对水体中的Cd~(2+)进行吸附,并对吸附Cd~(2+)的微藻分别采用去离子水、0.2 mol·L~(-1)Ca Cl2与研磨处理,测定Cd~(2+)的解脱量,研究活体微藻对重金属离子的富集特征与机理。结果表明:4种活体微藻均对水体中Cd~(2+)有较强的富集能力,在Cd~(2+)初始浓度为10 mg·L~(-1)、溶液pH为7.0的实验条件下,小球衣藻富集量可达76.34 mg·g~(-1),铜绿微囊藻、钝顶螺旋藻和四尾栅藻富集量分别为24.78、15.28和9.85 mg·g-1,说明微藻是良好的重金属吸附剂;4种活体微藻对Cd~(2+)的富集特征均符合准二级动力学方程(R20.99),反映出活体微藻对Cd~(2+)的富集主要是一种化学行为;活体微藻对Cd~(2+)的富集主要是离子交换形式的化学吸附,富集比例均在60%以上,其中小球衣藻最高,达86.51%。除化学吸附外,还包括物理吸附与生物吸收,生物吸收所占富集比例为6.75%~18.96%,而物理吸附量最少,为3.02%~14.63%。     

不同热解温度污泥生物炭对Pb~(2+)、Cd~(2+)的吸附特性

采用剩余污泥为原料,分别于300、400、500℃缺氧条件下制备污泥生物炭,利用X射线能谱仪(EDS)、环境扫描电镜(SEM)、红外光谱(FTIR)对其进行表征,并探究不同吸附时间,不同pH和不同Pb~(2+)、Cd~(2+)浓度下污泥生物炭对Pb~(2+)、Cd~(2+)的吸附特性,以期拓展污泥资源化利用途径。结果表明,准二级动力学方程能更好地描述污泥生物炭对Pb~(2+)、Cd~(2+)的吸附过程,约30 h达到平衡,其吸附主要受化学吸附控制。随溶液初始pH的升高,重金属的吸附量呈先增高后降低趋势,在pH 4.5时对Pb~(2+)的吸附量最大,而Cd~(2+)在pH 6.5时最大。在25℃时,低温热解制备的污泥生物炭对Pb~(2+)、Cd~(2+)的吸附量为RC500RC400RC300,RC500的饱和吸附量分别为Pb~(2+)(14.39 mg·g~(-1))Cd~(2+)(1.45 mg·g~(-1)),污泥生物炭对重金属离子的吸附量与其水合离子半径呈负相关。     

改性谷壳生物炭负载磁性Fe去除废水中Pb~(2+)的效果及机制

将谷売生物炭用酸改性后负载磁性Fe_3O_4,得到一种新的吸附材料(BC~Fe)。通过单因素吸附实验,研究了时间、pH、添加量、浓度以及温度等参数对BCTe吸附废水中Pb~(2+)的影响,并对其进行比表面积及傅里叶红外光谱分析,探讨该磁性生物炭对Pb~(2+)的吸附机理。结果表明对Pb~(2+)的吸附能在2 h内基本达到平衡。在Pb~(2+)溶液初始浓度为100mg·L~(-1),pH=5.0温度为25℃,分別添加0.1g和0.15 g的BC-Fe于50 mL Pb~(2+)溶液中,单位质量的BC-Fe对溶液中Pb~(2+)的吸附量分别为40.6 mg·g~(-1)和33.2 mg·g~(-1)去除率分别为81.3%和99.9%。该吸附过程符合拟二级动力学模型,理论平衡吸附量为43.9 mg·g~(-1)。用Langmuir等温吸附方程能够很好地描述其吸附行为;热力学研究表明对Pb~(2+)的吸附过程是自发的吸热过程。     

壳聚糖-纳米铁去除上覆水和底泥中Cr(Ⅵ)、Pb~(2+)、Cd~(2+)的研究

利用具有较好抗氧化性和分散性的壳聚糖-纳米铁(CS-NZVI)颗粒去除上覆水-底泥系统中的Cr(Ⅵ)、Pb~(2+)、Cd~(2+),分析了Cr(Ⅵ)、Pb~(2+)、Cd~(2+)去除的动力学特征,考察了pH和盐度对去除效果的影响。结果表明,CS-NZVI颗粒能够有效去除上覆水及底泥中的Cr(Ⅵ)、Pb~(2+)、Cd~(2+),Cr(Ⅵ)、Pb~(2+)、Cd~(2+)的去除过程满足准一级反应动力学方程;随着pH的升高,上覆水中Cr(Ⅵ)的去除率逐渐降低,而Pb~(2+)、Cd~(2+)去除率逐渐升高,底泥中Cr(Ⅵ)去除率先大幅降低后小幅上升,而Cd~(2+)、Pb~(2+)去除率总体呈降低趋势;高盐度不利于上覆水中Cr(Ⅵ)的去除,但对底泥中Cd~(2+)和Pb~(2+)的去除具有促进作用,对底泥中Cr(Ⅵ)的去除没有明显影响。     

改性沸石对水中微量汞的吸附性能

为了更好的去除水体中微量汞,研究了采用二氧化锰和壳聚糖对天然斜发沸石进行改性,着重考察了pH、温度、离子强度、Hg~(2+)初始浓度和时间对改性前后沸石吸附Hg~(2+)的影响,并研究了其吸附机理。结果表明,改性沸石受pH、温度和离子强度影响较小,在pH、温度、离子强度和初始浓度为6、25℃、0.05 mol·L~(-1)和50μg·L~(-1)时,二氧化锰+壳聚糖改性沸石(ZCM)对Hg~(2+)的去除率高达99%,符合国家饮用水标准,并且二氧化锰+壳聚糖改性沸石(ZCM)具有更好的解吸再生性。3种沸石均较好的符合Langmuir等温吸附模型和假二级动力学模型,其中改性沸石对汞的吸附主要为离子交换和表面官能团的络合作用,二氧化锰+壳聚糖改性沸石(ZCM)和壳聚糖改性沸石(ZC)饱和吸附量由1.43 mg·g~(-1)提高到5和3.3 mg·g~(-1),吸附平衡时间由10 h减少至1和4 h,为治理汞微污染地表水提供一定的理论支持。     

废旧碱性电池-活性污泥炭的制备及对废水中Cd~(2+)的吸附

以污水厂污泥为主要原料,掺杂不同量的废旧碱性电池电极材料,采用ZnCl_2活化法制备出废旧碱性电池-活性污泥炭,表征分析污泥炭样品的碘吸附值、BET、FT-IR、SEM-EDX、XRD和Zeta电位,并进行污泥炭Cd~(2+)吸附实验。结果表明,电池材料掺杂量为25%时,改性污泥炭吸附性能最优,碘吸附值和比表面积分别达到543.0 mg·g~(-1)和426.5 m~2·g~(-1),中孔孔径集中在3~4 nm左右,Zeta电位为-16.30 m V;对比纯污泥炭,废电池-污泥炭吸附金属离子性能更优,Cd~(2+)吸附量增加了近60%,而ZnCl_2活化剂用量减少了40%;回归分析发现,准二级动力学和Langmuir等温方程式适用于描述废电池-污泥炭对Cd~(2+)的吸附行为。     

PRB技术同步去除地下水中硝酸盐和镉

为评估可渗透反应墙(PRB)技术同步去除复合污染地下水中硝酸盐和重金属的可行性,选取蛭石、活性炭、固定化微生物为PRB反应介质,采用批实验和柱实验在不同填装方式及不同水力停留时间等条件下,考察PRB技术对硝酸盐和Cd~(2+)的同步去除效果。结果表明:PRB介质为蛭石或活性炭与固定化微生物组合型填料时,Cd~(2+)对PRB去除复合污染水体中的硝酸盐影响甚微,可实现高效的同步去除;当进水NO_3-N浓度为50 mg·L-1、Cd~(2+)浓度为10 mg·L-1时,活性炭与固定化微生物的组合型反应介质对NO_3-N和Cd~(2+)去除率分别可达93.13%和95.80%,蛭石与固定化微生物的组合型反应介质对NO_3-N和Cd~(2+)去除率分别可达92.70%和99.50%,经处理后的水质可达到地下水Ⅲ级质量标准(GB/T14848-2017)。以蛭石+固定化微生物、活性炭+固定化微生物作为反应介质的PRB技术可以实现NO_3-N和Cd~(2+)的同步去除,该技术可应用于处理硝酸盐和重金属复合污染地下水。