磁性污泥基生物炭对Pb2+的吸附性能

为克服湿法制备磁性生物炭颗粒时团聚严重、固液分离困难、热解前需消耗大量能源脱水干化的问题,本研究以市政污泥为原料,通过无溶剂法热解制备了磁性污泥基生物炭(MSBC-2),并利用SEM、FTIR、XPS、VMS和Raman等方法对产物的表面结构与特征进行了表征。基于序批实验,分析了pH、温度、背景离子强度、生物炭投加量对该吸附材料的Pb²⁺吸附性能的影响,并进行了吸附动力学、吸附等温线及吸附热力学研究。结果表明：MSBC-2的Pb²⁺去除率随pH及温度的升高而升高,pH>4后去除率基本不变,离子强度对Pb²⁺去除率基本无影响。MSBC-2对Pb²⁺的吸附行为符合准二级动力学模型及Langmuir模型,表明吸附过程的限速步骤为化学反应,吸附为单分子层吸附;MSBC-2的反应速率常数k₂是未改性生物炭的4.1倍,25 ℃时最大理论吸附容量为113.36 mg·g⁻¹,高于大多数湿法制备的磁性生物炭;该吸附过程非自发、吸热且熵增过程;MSBC-2对Pb²⁺的吸附机理主要包括表面络合、离子交换和物理吸附。     

铁氧化物/活性炭对饮用水中Sb(V)的吸附性能及机理

采用液相沉积法制备了铁氧化物/活性炭复合材料(Fe₂O₃@AC),通过单因素实验和正交实验优化了材料的制备条件,使用SEM、FTIR、XRD、XPS等分析方法对材料的形貌和性质进行了表征分析,通过吸附实验探究了Fe₂O₃@AC吸附除锑的效果及影响因素,并进一步对吸附除锑的机理进行了深入探讨。结果表明：最佳制备条件为纯水:乙醇:=4:1,Fe²⁺:Fe³⁺=1:1,总铁浓度为0.594 mol·L⁻¹,制备液pH=1.88。Fe₂O₃@AC吸附除锑的能力较其他金属基材料和活性炭有明显提高,锑原水质量浓度为38 μg·L⁻¹,Fe₂O₃@AC投加量为0.08 g·L⁻¹,吸附平衡后水中锑的去除率达97%,剩余锑质量浓度为1.06 μg·L⁻¹,满足国家饮用水卫生标准要求。微观表征显示铁氧化物颗粒成功负载于活性炭上,且铁氧化物晶体的结构完好。吸附反应符合准二级动力学和Langmuir等温模型,吸附反应以单层化学吸附为主,吸附类型为液膜扩散,颗粒内扩散,质量扩散的叠加形式。吸附方式为共沉淀,及溶解态锑与固相铁氧化物形成络合物,参与反应的官能团为—OH、—COOH、—Fe—OH、—Fe—O—Fe。     

巯基改性壳聚糖复合材料的制备及其用于高容量去除水中Hg(Ⅱ)

摘  要  壳聚糖(CS)因其无毒害、可降解性、成本低等特点而在众多高分子材料中脱颖而出,但稳定性和选择性较差,从而限制了其在重金属吸附中的应用。以巯基丙酸 (MPA) 为改性剂,以1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺(EDC) 为活化剂,制备了CS-MPA复合材料,使用单一变量法优化制备条件。结果表明,最优制备参数为：改性时间6 h,温度20 ℃,pH=6,m_(CS:MPA:EDC)为1∶0.8∶1,制备得到的 CS-MPA在酸性条件下对Hg(II)依旧保持较高去除效率。在复合材料表面引入巯基后出现了多层堆叠的不规则形态,比表面积增大。CS-MPA对Hg(II)的吸附在 360 min 内可达到平衡,以单层吸热的化学反应为主,25 ℃时理论最大吸附容量推测为 833.3 mg·g⁻¹。吸附机理主要是材料上的软碱(—SH和—NH₂)与软酸 Hg(II)之间发生的螯合反应,其次为酰胺基的结合作用。CS-MPA对 Hg(II)有较高的吸附选择性;且经过5次的吸附-解吸循环后,去除率仍保持在较高水平。以上研究结果表明 CS-MPA对Hg(II)的去除效果较好,可为废水中Hg(II)的去除与回收提供参考。     

絮凝-电解氧化联合处理氰化提金废水

采用絮凝-电解氧化联合技术处理氰化废水,主要研究了聚硅酸铝铁 (PSAF) 添加量、絮凝时间、pH、电压、电解时间、极板间距对总氰(CN_T)、游离氰(CN⁻)、Cu、Zn离子去除率的影响,并对其反应机制做了分析。研究表明,当PSAF添加量为2 g·L⁻¹,絮凝时间为30 min,pH为9条件下,CN_T、CN⁻、Zn、Cu离子的去除率分别可达42.97%、100%、84.40%、34.88%。Zn(CN)₄²⁻、Cu(CN)₃²⁻、CN⁻的吸附量分别为567.88、89.76、439.74 mg·L⁻¹。以钛板为阴极,石墨板为阳极,采用一阴两阳体系对絮凝后液进行电解氧化实验,在电压为3 V、电解时间为2 h、极板间距为10 mm条件下,CN_T、CN⁻、Zn、Cu离子的去除率可达91.70%、100%、99.15%、94.49%。絮凝过程中Zn(CN)₄²⁻、Cu(CN)₃²⁻、CN⁻的去除是由电荷中和和化学吸附共同作用的,其中电荷中和起主要作用。Zn(CN)₄²⁻、Cu(CN)₃²⁻、CN^-的化学吸附主要归因于其与PSAF水解产生的羟基阳离子发生交换反应。XRD分析表明,加入酸性絮凝剂PSAF的瞬间,部分Zn(CN)₄^2-反应为Zn(CN)₂沉淀。电解氧化过程中Zn(CN)₄²⁻、Cu(CN)₃²⁻破络释放的氰根会被阳极表面产生的O₂、·OH完全氧化为N₂和CO₂,Zn、Cu离子在阴极板电沉积而被去除。     

改性HDPE填料的制备及对MBBR脱氮除磷效果的强化

为解决传统填料亲水性差、挂膜速度慢等问题,对高密度聚乙烯(HDPE)填料进行亲水改性并改善填料的挂膜性能及在移动床生物膜反应器(MBBR)中的应用效果,用浸涂的方式将纳米SiO₂、聚乙烯醇(PVA)、聚多巴胺(PDA)等材料涂覆在HDPE填料表面,对改性后填料进行接触角、SEM、FT-IR和XPS表征以及MBBR挂膜启动实验,研究化学需氧量(COD)、氨氮(NH₃-N)、总氮(TN)、总磷(TP)的去除效果以及对填料挂膜时间、生物膜量、蛋白质和多糖含量的影响。结果表明：改性后,填料接触角由94.82°降至 60.1°,填料亲水性明显增强;填料表面出现褶皱,粗糙度增加;上述材料成功负载在填料表面并引入了亲水基团且未改变填料基本结构;填料挂膜时间由25 d提前至16 d,挂膜时间提前了9 d,COD、NH₃-N、TN、TP去除率分别达到94.9%、95.4%、83.5%、71.6%,与改性前比分别提高了9.3%、6.7%、13.7%、11.5%;填料的生物膜量是改性前的1.57倍,从27.35 mg·g⁻¹提高到42.87 mg·g⁻¹,其中蛋白质和多糖的含量分别从改性前的6.48 mg·g⁻¹和3.38 mg·g⁻¹提高到8.83 mg·g⁻¹和5.82 mg·g⁻¹,分别为改性前的1.36倍和1.72倍。由此可以看出,表面涂覆可以提高HDPE填料的亲水性,改性后的HDPE填料可以缩短在MBBR中的挂膜时间及强化对COD、NH₃-N、TN、TP的去除效果。本研究结果可为HDPE填料亲水改性的深入研究及在MBBR中的实际应用提供参考。     

纳米零价铁与黑曲霉发酵液联用对砷锑污染土壤的淋洗修复

土壤砷 (As) 、锑 (Sb) 污染对生态环境和人体健康有着潜在的风险,采用黑曲霉发酵液 (FB) 与纳米零价铁 (nZVI) 联用淋洗修复As、Sb污染土壤。通过振荡淋洗实验,探究nZVI强化FB淋洗去除As、Sb的效果及不同条件下对As、Sb淋洗效率的影响。结果表明,制备的FB对污染土壤中As和Sb有着较好的去除效果,去除率可达84.1%和71.8%;nZVI对FB去除As、Sb有强化作用,在nZVI质量浓度为0.1 g·L⁻¹、pH为1和淋洗时间为60 min的条件下,其淋洗效果最佳,对As、Sb淋洗效率可达96.6%和95.6%,修复后的土壤达到《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准 (试行) 》 (GB 36600-2018) 二类用地标准。nZVI-FB对土壤中As、Sb的解吸动力学符合拟二级动力学方程。nZVI-FB能够有效的提取土壤中As、Sb的铁铝氧化物结合态。本研究结果可为As、Sb复合污染土壤的淋洗修复提供参考。     

NiFe2O4/ZnAl-LDH吸附去除水中Cr(VI)

采用共沉淀法合成磁性复合材料NiFe2O4/ZnAl-LDH,通过静态吸附试验考察复合材料去除水中Cr（VI）的性能,系统地研究了溶液初始pH值、吸附剂投加量、吸附时间和温度等因素对Cr（VI）去除效果的影响。结果表明,当溶液初始pH值为2、初始Cr（VI）浓度为50 mg·L-1、吸附剂投加量为4 g·L-1时,吸附过程在240 min内达到平衡,此时Cr（VI）的去除率为89.5%。动力学和吸附等温式的研究表明：NiFe2O4/ZnAl-LDH吸附Cr（VI）的过程符合准二级动力学和Langmuir等温吸附模型。热力学参数表明该吸附过程为自发、放热的反应过程,低温有利于吸附剂对Cr（VI）的吸附。吸附剂经4次再生后对Cr（VI）仍有83.1%的去除率,且其在外加磁场的作用下能快速与水溶液分离,因此NiFe2O4/ZnAl-LDH可作为去除水中Cr（VI）的良好吸附剂。     

纳米零价铁和零价铁对餐厨垃圾暗发酵制氢过程铁离子和酶活性的影响

通过投加不同浓度的纳米零价铁(NZVI)和零价铁(ZVI),考察了暗发酵制氢过程中铁离子组成和浓度变化、氢化酶和脱氢酶活性,研究了2种添加剂强化餐厨垃圾高温((55±1) ℃)暗发酵制氢的作用机制。结果表明：投加NZVI和ZVI均可提高餐厨垃圾暗发酵制氢性能;当投加100 mg·L⁻¹ ZVI时,产氢效果最佳,最大产氢潜力和最大产氢速率分别为425.72 mL和66.32 mL·h⁻¹,是投加NZVI实验组的1.64倍和1.34倍,代谢途径是以乙醇型发酵为主的混合型发酵;在投加NZVI和ZVI后,暗发酵制氢末端产物的Fe²⁺和Fe³⁺浓度升高,投加300 mg·L⁻¹ NZVI和100 mg·L⁻¹ ZVI实验组Fe²⁺浓度最大,是未投加实验组的2倍和1.87倍;与反应前相比,Fe²⁺显著升高,Fe³⁺由于微生物利用与转化浓度降低,同时可有效提高氢化酶活性。投加100 mg·L⁻¹ ZVI不仅可提高氢化酶活性,还可提高脱氢酶活性。以上结果可为提高餐厨垃圾等复杂有机废物的高效能源化提供参考。     

改性土-膨润土阻隔墙阻控离子型稀土矿氨氮污染

以土-膨润土为阻隔材料,使用硅灰及水泥对其进行固化改性,研究改性后阻隔墙对离子型稀土矿原地浸矿氨氮污染的阻控效果。通过了解阻隔墙材料的渗透性能、力学性能,并结合阻隔材料对氨氮的吸附效果、穿透效果和数值模拟结果,探讨改性土-膨润土阻隔材料对氨氮污染的阻控性能。结果表明:硅灰改性土-膨润土阻隔材料,最佳质量配比为硅灰∶土=1∶10,最佳含水率为67.80%;改性阻隔材料生成的铝硅酸盐提高了阻隔墙防渗性能,渗透系数为2.36×10~(-9) m·s~(-1);CaCO_3提高了材料的力学性能,使抗压强度达到0.896 MPa;改性阻隔材料对氨氮的吸附过程符合准二级动力学模型及Langmuir等温模型。这说明该吸附过程以化学吸附为主,并且该吸附是放热过程。在不同氨氮浓度的穿透下,渗透系数呈逐渐减小的趋势,实验期间并未达到穿透浓度。利用Visual MODFLOW数值模型对阻隔墙的阻控效果进行模拟发现,7 300 d后NH_4~+扩散范围小,未穿透阻隔墙。硅灰改性土-膨润土阻隔墙用于对离子型稀土矿氨氮污染阻控的效果较好。     

高分散纳米钙锆复合材料催化臭氧氧化降解间甲酚废水

采用共沉淀法制备了一系列Ca-Zr复合材料,探究了不同的焙烧温度对材料结构和化学性质的影响。使用X射线衍射、扫描电子显微镜及高分辨透射电镜等分析手段表征了所制备样品的物相变化和颗粒形貌特征,以间甲酚为底物,采用臭氧催化氧化方法对所得催化剂的催化性能进行了分析。结果表明：当焙烧温度升高到1 000 ℃以上时,样品晶型以斜方晶系CaZrO₃为主,随着焙烧温度的升高,颗粒更加均匀分散。在催化臭氧氧化降解间甲酚实验中,当焙烧温度为800 ℃时, TOC去除率最高可达到79%。800 ℃焙烧所得的样品由纳米颗粒组成,晶格间距为0.29 nm,说明样品的高暴露晶面为CaZrO₃的(121)晶面;XPS结果证实了样品的高活性可能是由晶格氧和表面羟基基团起重要作用而导致的。这种高效的纳米钙锆复合材料为催化臭氧氧化处理废水奠定了良好的基础。