纳米零价铁颗粒去除As(III)和As(V)的动力学过程及性能研究

本研究系统分析了不同初始砷浓度和不同nZVI投加量等条件下,nZVI去除As（III）和As（V）的动力学过程和除砷性能.结果表明,nZVI可快速有效地去除As（III）和As（V）,除砷过程均符合准二级动力学模型,且As（III）的去除速率明显快于As（V）.在砷浓度为5 mg·L^-1时,As（III）去除速率常数达最大值0.30 g·mg^-1·min^-1,为As（V）去除速率（0.034 g·mg^-1·min^-1）的8.8倍.Weber-Morris粒子内扩散模型拟合结果表明,nZVI除砷速率是由外扩散和颗粒内扩散共同控制的.分析反应平衡时砷浓度测定结果,发现不同砷浓度条件下nZVI对As（III）的去除量为As（V）的1.5~2.6倍,nZVI对砷的去除量随初始砷浓度增加而降低,随nZVI投加量增加而增加.砷浓度为50.0 mg·L^-1时,As（III）和As（V）去除量达到最高,分别为152.14 mg·g^-1和62.02 mg·g^-1,均高于传统（羟基）氧化铁对As（III）和As（V）的去除量.因此,nZVI可高效去除水中As（III）和As（V）,且用于修复以As（III）污染为主的地下水更具有优势.     

污泥生物炭活化过一硫酸盐降解环丙沙星

以脱水干化污泥为原料,经450℃热解制成污泥生物炭（BC）,活化过一硫酸盐（PMS）,构建BC/PMS体系,降解环丙沙星（CIP）.采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线能谱（EDS）、傅里叶变换红外吸收光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、Zeta电位分析仪和电子自旋共振（EPR）分析了BC的理化性质;考察了BC投加量、PMS投加量、初始pH值和无机阴离子对BC/PMS体系降解CIP效果的影响;通过自由基淬灭实验和X射线光电子能谱（XPS）分析,深入探讨了BC/PMS体系对CIP降解机制.结果表明,CIP降解率随BC投加量和PMS投加量增大而升高,随溶液初始pH增大而降低,在BC 1.0 g·L^-1、PMS 3.0 mmol·L^-1、初始pH 6.0、CIP 20 mg·L^-1和反应时间120 min时,CIP降解率为49.09%;SO₄^2-和NO₃^-对BC/PMS体系降解效果无显著影响,HCO₃^-和Cl^-具有明显抑制作用;BC/PMS体系降解CIP是自由基途径（·OH和SO₄^-·）和非自由基途径（¹O₂）共同作用的结果,降解路径主要包括哌嗪环开环和羟基化反应.     

NaHCO3活化荞麦皮生物炭对碘帕醇的吸附

采用NaHCO₃活化荞麦皮生物炭,优化得到生物炭0.25N-BC[m（NaHCO₃）：m（荞麦皮）=0.25：1],通过SEM、BET、XRD、Raman、FTIR和XPS等方法进行表征,分析NaHCO₃对生物炭理化性质的影响,探究其对非离子型碘代X射线造影剂碘帕醇（IPM）的吸附性能和机制.结果表明,与荞麦皮生物炭相比（BC）,NaHCO₃活化生物炭的结构缺陷程度更高（比表面积和孔体积分别由480.40 m²·g^-1和0.29 cm³·g^-1增至572.83 m²·g^-1和0.40 cm³·g^-1,I_D/I_G是BC的1.22倍）,表面含碳和含氧官能团数量发生显著变化,极性增强[（N+O）/C由0.15增至0.24],能够有效吸附IPM,0.25N-BC对IPM最大吸附量达到74.94 mg·g^-1,是BC （7.88 mg·g^-1）的9.51倍.拟二级吸附动力学和Langmuir、Freundlich等温线模型可很好地拟合0.25N-BC对IPM的吸附,吸附过程主要以化学吸附和单层、非均质多层吸附为主;孔隙填充、氢键、π—π和n—π相互作用是0.25N-BC吸附IPM的主要机制.对比不同碱[KOH、Na₂CO₃、NaHCO₃、KHCO₃和Ca （HCO₃）₂]活化荞麦皮生物炭对IPM的吸附,0.25N-BC吸附效率高,达到吸附平衡时间短,能有效去除实际水体（二沉池出水和湖水）中IPM的残留,并具有良好的循环使用性能,吸附-解吸3次后对IPM的去除率仍保持在74.91%.研究表明NaHCO₃活化荞麦皮生物炭是一种绿色有效,可持续去除含碘有机物的优良吸附剂.     

氨基改性生物炭负载纳米零价铁去除水中Cr(VI)

以聚乙烯亚胺（PEI）为功能单体,玉米秸秆生物炭为载体,制备了氨基改性生物炭负载型纳米零价铁（nZVI@PEI-HBC）,并利用扫描电镜（SEM）、红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）等手段对材料进行了表征,分析了溶液pH、温度、材料投加量等因素对其去除Cr（VI）的影响及其去除机理.结果表明：在投加量为0.5 g·L^-1,温度为20℃,pH值为5,Cr（VI）初始浓度为20 mg·L^-1条件下,各材料对Cr（VI）的去除率大小为nZVI@PEI-HBC > nZVI > PEI-HBC > HBC.SEM显示nZVI颗粒较均匀地分散在生物炭表面,FTIR分析表明PEI改性后材料表面增加了氨基等重金属配位基团,这可能是nZVI@PEI-HBC去除Cr（VI）效果更好的原因.影响因素研究表明,材料具有较好稳定性,老化28 d后其Cr（VI）去除性能变化不大;酸性环境、升温、增大材料投加量均有利于nZVI@PEI-HBC对Cr（VI）的去除.机理研究发现,水中溶解氧加速了nZVI的腐蚀和Fe（II）的释放,促进Cr（VI）还原为Cr（III）,然后通过共沉淀作用和氨基等基团的吸附作用被去除.     

KOH活化小麦秸秆生物炭对废水中四环素的高效去除

活化是提高生物炭吸附性能的重要手段.以小麦秸秆为研究对象,KOH为活化剂,制备KOH活化生物炭（K-BC）,同时制备原状生物炭（BC）作为对照.对生物炭进行比表面积和孔径、元素分析、XPS、FTIR、Raman、XRD和pH_pzc等表征,考察KOH活化对生物炭理化性质的影响,并探究生物炭对水体中四环素的吸附性能和机制.结果表明,KOH活化之后生物炭的比表面积和孔体积可达996.4 m²·g^-1和0.45 cm³·g^-1.KOH活化会制造更多的碳结构缺陷,影响生物炭的官能团和表面电性.拟二级动力学和Langmuir模型可以较好地拟合生物炭吸附四环素的过程.环境温度升高能提高生物炭对四环素的吸附量.K-BC吸附四环素是自发、吸热和无序度增加的过程.K-BC对四环素的最大吸附量理论可达到491.19 mg·g^-1（实验温度为45℃）.结合吸附后生物炭的Raman、FTIR和XPS表征,发现孔隙填充和π-π作用是K-BC吸附四环素的主要机制,氢键和络合作用也发挥重要作用.此外,K-BC还具有良好的循环使用性能.综上所述,KOH活化小麦秸秆生物炭是有效和可行的,可用于废水中四环素的去除.     

生物炭固定化多环芳烃高效降解菌剂的制备及稳定性

高效多环芳烃降解微生物在污染环境中存活并保持一定生物量是实现生物强化修复的前提.本研究通过优选生物炭,优化生物炭固定化多环芳烃高效降解菌Martelella sp.AD-3的制备条件以及评估生物炭固定化菌剂的稳定性,期望获得具有应用前景的生物材料.结果显示,稻壳生物炭比表面积及孔隙大、Zeta电位高、固定化菌剂去除效果好,选择其作为固定化AD-3菌的载体.电镜观察及固定化菌剂对菲的去除率表明,固定化培养基为3% LB,接种量为2.9×10⁸ CFU·mL^-1,固定2 d时,稻壳固定化菌剂负载AD-3量最多,对菲的去除速率可达8.08 mg·L^-1·h^-1.室温保存21 d后,稻壳生物炭固定化菌剂对菲的去除速率仍达到4.46 mg·L^-1·h^-1,表明稻壳生物炭固定化AD-3菌不仅保持了菌对菲的高效降解能力,而且延长了降解微生物的保存时间,这为多环芳烃污染土壤修复提供了良好的生物修复功能材料.     

CuFeO2改性生物炭对四环素的吸附特性

利用共沉淀和水热法于生物炭（BC250、BC350、BC450、BC550和BC650）负载CuFeO₂,得到的复合材料对水中四环素（TC）具有较好的去除效果.CuFeO₂与BC450质量比为2 ：1的CuFeO₂改性生物炭（CuFeO₂/BC450=2 ：1）对TC的吸附性能最强.TC于CuFeO₂/BC450=2 ：1的吸附符合颗粒内扩散模型,表明吸附是界面和孔隙扩散控制的过程.在中性pH、298 K下,CuFeO₂/BC450=2 ：1对TC的Langmuir最大吸附量为82.8 mg ·g^-1,远大于BC450的13.7 mg ·g^-1和CuFeO₂的14.8 mg ·g^-1.热力学结果表明,CuFeO₂/BC450=2 ：1对TC的吸附是自发和吸热过程.随pH增加,CuFeO₂/BC450=2 ：1对TC的吸附去除呈先增加后降低的趋势,中性条件时效果最佳.CuFeO₂/BC450=2 ：1对TC的强吸附得益于CuFeO₂负载对材料孔隙结构的改善、比表面积的增大和表面官能团、电荷属性的改变.研究结果为净化抗生素污染提供了一种高效的磁性吸附剂.     

桉树生物炭负载绿色合成纳米零价铁去除水中Cr (Ⅵ)

以桉树叶提取物绿色合成的纳米零价铁（nZVI）为主体,使用桉树生物炭（EBC）负载,成功制备一种高效去除Cr （Ⅵ）的复合材料（EBC-nZVI）,考察单一材料和复合材料去除Cr （Ⅵ）的效果差异和循环利用潜力;并研究投加量和溶液初始pH对去除效果的影响.使用GC-MS分析合成前后提取液中成分变化,通过SEM-EDS、FTIR、XRD和XPS对材料表征,结合吸附动力学和吸附等温线实验讨论去除机制.结果表明,绿色合成过程中桉树叶提取液提供了充当还原剂和封端剂的生物分子,复合材料分散性良好并有效缓解nZVI的钝化.复合材料去除Cr （Ⅵ）的过程中EBC和nZVI表现出协同作用,在pH为3,投加量1g·L^-1条件下对100mg·L^-1的Cr （Ⅵ）溶液去除率达到99.5%以上,且具有良好的循环利用潜力.EBC-nZVI吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir吸附等温模型,活性位点与Cr （Ⅵ）的化学吸附过程是去除速率的主要限制因素.EBC-nZVI与Cr （Ⅵ）的反应机制是nZVI和Fe （Ⅱ）将吸附的Cr （Ⅵ）还原为Cr （Ⅲ）,然后通过表面络合、官能团吸附和共沉淀以FeOOH、Fe₂O₃、Cr （OH）₃和Cr₂O₃的形式实现去除.     

微纳米粒径生物炭的结构特征及其对Cd2+吸附机制

为探究不同微纳米粒径生物炭的结构特性和对Cd²⁺吸附性能的影响.通过筛分法和球磨法制备不同粒径（180~250、50~75和≤20 μm,分别表示为BC-1、BC-2和BC-3）玉米秸秆生物炭,利用元素分析、激光粒度分析、SEM、BET、FTIR和XPS等手段对生物炭的结构进行了表征,采用静态吸附实验研究了不同初始Cd²⁺浓度、吸附时间和pH条件下生物炭对Cd²⁺的吸附行为与机制.结果表明,随粒径减小,生物炭表现为pH值和Zeta电位均下降、芳香性和极性降低、比表面积和孔体积增大.不同粒径生物炭对Cd²⁺的吸附动力学符合准二级动力学模型,以化学吸附为主,其平衡时间依次为：BC-1（540 min）>BC-2（360 min）>BC-3（80 min）.Langmuir模型能更好拟合Cd²⁺在不同粒径生物炭上的吸附等温过程（R²>0.97）,Cd²⁺最大吸附量随粒径减小而增大,表现为：BC-3（74.43 mg ·g^-1）>BC-2（45.71 mg ·g^-1）>BC-1（44.59 mg ·g^-1）.生物炭吸附Cd²⁺主要机制有静电吸引、表面络合和阳离子-π作用.     

生物炭输入对城郊农业区农田地表反照率及土壤呼吸的影响

为了探究生物炭输入对地表反照率及土壤呼吸的影响,通过田间小区试验的方法,在不同生物炭用量[0（CK）、0.5 kg·（m²·a）^-1（BC0.5）、4.5 kg·（m²·a）^-1（BC4.5）]不同地表条件下[种植作物（以+表示）、裸地（以-表示）],对农田地表反照率、土壤温湿度、土壤CO₂排放通量、土壤有机碳组分等指标进行了测定分析.结果表明,在作物生长前期（玉米的苗期至拔节期、小麦苗期至越冬期）,BC4.5+、BC0.5+的地表反照率相较CK+处理均有显著下降（P<0.05）,小麦季最大降幅分别为23.7%、17.9%,玉米季最大降幅分别为44.5%、44.9%.随叶面积指数增加,地表反照率在3个处理间的差异随之逐渐消失,作物覆盖可有效缓解生物炭输入导致的地表反照率的降低效应;裸地条件下,生物炭处理的地表反照率较对照处理在全部的观测中均有显著下降（P<0.05）;生物炭在输入初期可显著增加土壤CO₂释放量（P<0.05）,但其增幅随时间逐渐减小,其中BC4.5+较CK+的增幅从276.7%逐步降低至36.1%,BC4.5-较CK-的增幅从163.5%明显减弱至39.8%.生物炭处理较对照处理增加的CO₂释放量主要来自生物炭-土壤共存体系中的易分解碳组分,其土壤CO₂释放通量与土壤水溶性有机碳含量呈显著相关（P<0.05）;生物炭输入导致的地表反照率变化未对土壤呼吸产生直接的影响,而且生物炭输入可降低土壤呼吸温度敏感性Q10值,表明生物炭具有一定的化学和生物学稳定性.     

改性生物炭负载纳米零价铁去除水体中头孢噻肟

抗生素对环境的危害已经引起了人们的广泛重视.本实验以改性生物炭(MB)为载体制备了负载纳米零价铁的功能生物炭(Fe/MB).以头孢噻肟(CFX)为目标抗生素,研究了该材料对头孢噻肟的降解特性及影响因素,并探讨了去除机理.实验结果表明,50 min内头孢噻肟的去除率为92%(Fe/MB用量为0.4 g·L~(-1),溶液p H=5.0,头孢噻肟浓度为20 mg·L~(-1),振荡速率为200 r·min~(-1),柠檬酸浓度为1.47 mmol·L~(-1)).头孢噻肟的去除过程存在改性生物炭的吸附和纳米零价铁还原降解的协同作用,数据符合伪二级反应动力学方程(R20.99).采用紫外可见光谱结合质谱分析了降解产物的结构并提出头孢噻肟的降解途径.     

改性生物炭负载纳米零价铁活化过硫酸盐降解活性蓝19的机理及老化研究

采用磷酸改性的黍糠基生物炭作为纳米零价铁(Nanoscale zero-valent iron,nZVI)载体,成功制备出一种高效非均相活化材料一磷酸改性生物炭负载纳米零价铁(nZVI@PBC),用来活化过硫酸盐(Persulfate,PS)降解印染废水中的典型染料—活性蓝(Reactive Blue 19,RB19)...     

纳米零价铁铜双金属体系对土壤中四氯双酚A的降解

纳米零价铁及其双金属材料因比表面积大、反应活性高,已被大量应用于地下水中卤代有机污染物、无机盐和重金属的处理,而将纳米零价铁铜双金属(Cu/n ZVI)应用于四氯双酚A(TCBPA)污染土壤的修复却鲜见报道.本文以Cu/nZVI为反应材料,探究了TCBPA起始浓度,Cu/n ZVI投加量、p H、温度等因素对土壤中TCBPA降解率的影响.批实验结果表明:反应温度为25℃,经过360 min的反应后,0.30 g的Cu/n ZVI对土壤中0.8 mg·g~(-1)TCBPA的降解率可达85%以上.Cu/n ZVI对土壤中TCBPA的降解率随TCBPA初始浓度的增加而降低,随Cu/n ZVI投加量的增加而升高,随土壤初始p H的增加而降低,Cu/n ZVI对TCBPA的降解在常温条件下即可有效的进行.Cu/nZVI对TCBPA的降解遵循准一级反应动力学模型.GC-MS结果表明,Cu/n ZVI降解TCBPA是一个逐步还原脱氯的过程.     

纳米零价铁对升流式颗粒污泥床反硝化性能的影响

为探究连续流条件下,纳米零价铁(nZVI)对反硝化颗粒污泥(DGS)性能的影响,本文利用升流式污泥床(USB),系统考察了反应器脱氮效能、污泥形态和反硝化特性随进水nZVI浓度的变化规律.结果表明,当nZVI5 mg·L~(-1)时,反应器脱氮效能与对照期(nZVI=0 mg·L~(-1))相差很小,DGS活性略微增大.当nZVI浓度在5~10 mg·L~(-1)时,DGS对nZVI的生物抑制作用表现出一定适应性,污泥浓度和颗粒粒径仍保持增长趋势,但泥相中总铁含量明显增大,DGS活性开始降低.当nZVI浓度增至30 mg·L~(-1)时,反应器对COD和NO-3-N的去除率分别降至对照期的23.3%和20.3%.DGS因吸附大量nZVI而呈黑色,颗粒粒径减小,污泥表面短杆菌等微生物密度明显降低.停止投加nZVI后,污泥浓度与DGS活性的持续上升,使得反应器脱氮效能在20 d内基本恢复至对照期的水平.异养菌在颗粒表面的快速增殖是实现上述目标的主要原因.     

镁盐改性生物质炭的合成及其在废水氮磷资源化中的应用研究

通过直接沉淀-热改性法将纳米氢氧化镁晶体(Mg(OH)_2)负载在生物质炭(BC)上,系统研究了该改性材料(Mg(OH)_2-BC)对模拟废水中氮、磷的固定特性,并探讨了投加量、反应溶液pH、接触时间对吸附过程的影响.结果表明,Mg(OH)_2-BC在投加量为0.3 g·L~(-1),反应溶液初始pH为7,反应时间≥40 min时对氮、磷的固定效果最佳,最大吸附量分别达到58.8、130.0 mg·g~(-1).Mg(OH)_2-BC对氮、磷的吸附过程均符合准二级动力学模型,吸附过程受化学吸附机理的控制.通过SEM、XRD、FTIR等对反应产物进行表征分析,结果表明,Mg(OH)_2-BC对氮、磷的固定机制主要为鸟粪石结晶沉淀,也即化学沉淀.     

Performance of bimetallic nanoscale zero-valent iron particles for removal of oxytetracycline

In this study, bimetallic nanoscale zero-valent iron particles(nZVI), including copper/nanoscale zero-valent iron particles(Cu/nZVI) and nickel/nanoscale zero-valent iron particles(Ni/nZVI), were synthesized by one-step liquid-phase reduction and applied for oxytetracycline(OTC) removal. The effects of contact time and initial p H on the removal efficiency were studied. The as-prepared nanoscale particles were characterized by scanning electron microscopy(SEM), energy dispersive spectroscopy(EDS) and X-ray diffraction(XRD). Finally, the degradation mechanisms of OTC utilizing the as-prepared nanoparticles were investigated by using X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) and mass spectrometry(MS). Cu/n ZVI presented remarkable ability for OTC degradation and removed71.44% of OTC(100 mg/L) in 4 hr, while only 62.34% and 31.05% of OTC was degraded by Ni/nZVI and nZVI respectively. XPS and MS analysis suggested that OTC was broken down to form small molecules by ·OH radicals generated from the corrosion of Fe0. Cu/nZVI and Ni/n ZVI have been proved to have potential as materials for application in OTC removal because of their significant degradation ability toward OTC.