FeS@Fe生物炭复合材料的制备及其去除Cr6+性能研究

[9]。这一研究结果为生物炭的改性提供了理论依据。在设计和制备FeS@Fe/BC吸附剂时，需要考虑到Fe含量对吸附性能的影响。适当的Na2S/FeCl3摩尔比可以提高对Cr6+的吸附效果。3.3不同初始pH对Cr6+吸附量的影响图4不同初始pH对Cr6+吸附量的影响图4显示了，在不同的pH值下，FeS@Fe/BC-1对Cr6+在溶液中的吸附量。吸附剂表面的官能团特性及其形态可能因pH值的变化而改变，探究pH值对吸附效率的影响显得尤其关键。从图2中观察到，FeS@Fe/BC-1对Cr6+的吸附容量达到最大值时pH值为2。随着溶液pH值的升高，从2增至5，FeS@Fe/BC-1对Cr6+的吸附量显著降低，从324.74mgg-1减少至42.94mgg-1，这一现象的原因可能是酸性条件有利于FeS分解，形成的Fe2+、S2-可以还原Cr6+，从而增加了Cr6+吸附量。当溶液pH值位于5至7的范围内时，FeS@Fe/BC-1对Cr6+的去除效率维持在一个较低的水平。这些数据充分表明，在溶液pH=2时，FeS@Fe/BC-1具有卓越的Cr6+吸附性能，比较适合用于处理含有Cr6+的废水。3.4背景离子的影响实验15mg的初始投放量FeS@Fe/BC-1，pH为2的条件下分别加入50mmol/LNa2SO4，NaNO3，NaCO3，NaCl，Cr6+吸附量如图5所示：图5背景离子对FeS@Fe/BC-1吸附Cr6+的影响通过在吸附实验中加入不同的外源阴离子，研究了共存离子强度对反应体系的影响。Cl-对FeS@Fe/BC-1对Cr6+的吸附影响较小，仅使吸附量略有下降，这是因为Cl-不会影响Cr6+的还原反应，会占据FeS@Fe/BC-1的部分活性位点。添加NO3−后，吸附量的下降程度介于Cl-和SO42−之间，原因是NO3−会与FeS反应，使得其于参与Cr6+还原反应的量减少，但其对Cr6+吸附能力的影响并不如SO42−那么显著。SO42−离子的存在Cr6+的吸附量产生了显著的下降效果，这可能是因为SO42−拥有更高的负电荷密度和较小的水合半径，使其更倾向于与FeS@Fe/BC-1的表面活性位点形成较强的静电吸引，产生吸附位点竞争的情况。CO32-的加入导致吸附量的下降，可能与CO32-引起的pH上升有关。因为在pH2时，FeS@Fe/BC-1对Cr6+的吸附性能最好。结果表明，在Cl−、SO42−和NO3−离子存在的情况下，对于FeS@Fe/BC-1去除Cr6+效果影响较小。3.5循环实验回收效率是吸附剂经济性评价的重要指标。因此，评估了FeS@Fe/BC-1的吸附量。FeS@Fe/BC-1对Cr6+的吸附能力在前5个循环中略有变化，如图6所示。吸附效率大大下降。在第5个循环中，吸附量降至42.74mgg-1。这可能是由于FeS和Fe的消耗，可能会影响下一个吸附循环，从而导致吸附容量的降低。人们可能会认为这种吸附剂不能再循环用于Cr6+，因为在第一个循环后，吸附容量大幅度下降。然而，从第2次循环到第5次循环，吸附量下降缓慢。图6FeS@Fe/BC-1的循环实验3.6动力学实验由实验数据可知，FeS@Fe/BC-1的吸附量在前5h内迅速增加，在5~24h内缓慢增加，当吸附时间达到24h后趋于稳定。一开始，吸附速率的快速增加可能是由于FeS@Fe/BC-1中FeS与Cr6+反应迅速，接着由于FeS@Fe/BC-1表面还存在许多吸附位点，所以5h后吸附速率仍在增加，不过速度变慢，随着大部分的活性位点都被占满，吸附速度减慢，最后趋于平衡。为了研究接触时间对吸附量的影响，拟合了拟一阶(式(1))和拟二阶(式(2))动力学模型：q=式中：qt为t时刻吸附量，mg/g；qe为平衡时吸附量，mg/g；k1为一阶速率常数，min–1；k2为二阶速率常数，g/(mg·min)；t为时间，min。实验数据拟合如下图7和表1。与拟一级动力学模型相比，拟二级动力学模型的拟合系数R2更接近于1，理论平衡吸附量接近实测值。因此，拟二级动力学模型更适合描述吸附机理，吸附过程以化学吸附为主。图7FeS@Fe/BC-1对Cr6+吸附的动力学实验表1FeS@Fe/BC-1对Cr6+的吸附动力学拟合参数样品Pseudo-first-ordermodelPseudo-second-ordermodelqe,calk1(10-3)R2qe,calk1(10-3)R2FeS@Fe/BC-1320.074.250.98356.630.020.993.7等温热力学吸附实验对于Cr6+吸附量和Cr6+浓度关系的实验数据采用Langmuir、Frenudlich模型进行拟合，拟合方程如下式：式中：qm为FeS@Fe/BC-1对Cr6+饱和吸附量，mg/g；ρe为平衡时吸附量，mg/g；KL为Langmuir表征吸附剂和吸附质之间亲和力的参数，L/mg；KF为Freundlich吸附量的参数，(mg/g)(L/mg)1/n；n为表征吸附强度的Freundlich常数。等温热力学吸附拟合曲线如下：图8FeS@Fe/BC-1对Cr6+吸附的等温热力学实验表2FeS@Fe/BC-1对Cr6+吸附的等温热力学实验样品Langmuir模型Freundlich模型qm/(mg/g)KL/(L/mg)R2nKF/(mg/g)(L/mg)1/nR2FeS@Fe/BC-1390.503.590.4723.68309.570.91根据表2数据，FeS@Fe/BC-1对Cr6+吸附等温特征采用Langmuir和Freundlich模型拟合，其吸附过程符合Freundlich模型，表明该吸附过程是不均匀的多层吸附，对比KF可知，Cr6+吸附能力参数1/n为0.04，其范围在0-1之间，说明FeS@Fe/BC-1对Cr6+的吸附过程容易进行并且很可能涉及化学吸附机制。4结论（1）Na2S/FeCl3摩尔比为1:1时，可以优化FeS@Fe/BC的结构和性能，提高对Cr6+的吸附效果。（2）本实验测试了FeS@Fe/BC-1在初始pH分别为2，3，4，5，6，7时对Cr6+的吸附量，发现在pH2时，FeS@Fe/BC-1对Cr6+的吸附性能最好。（3）FeS@Fe/BC-1对Cr6+吸附过程符合Freundlich模型，表明该吸附过程是多层吸附。（4）FeS@Fe/BC-1对Cr6+的吸附机理更符合拟二级动力学模型，吸附过程以化学吸附为主。（5）在Cl−、CO32-和NO3−离子存在的情况下，对于FeS@Fe/BC-1去除Cr6+效果影响较小，吸附性能较好，SO42−存在的情况下，它占据更多的吸附位点，从而抑制了Cr6+的吸附。（6）循环实验结果表明，从第2次循环到第5次循环，吸附量下降缓慢，仍能保持42.74mgg-1以上的吸附量。参考文献王梦蛟,徐露.重金属铬(Cr)的污染及治理研究进展[J].环境保护前沿,2023,13(4):971-983胡涛.含铬废水的治理研究[J].污染防治技术,2005,(4):5-7.郭丹丹.生物炭和改性生物炭对重金属Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)的吸附性能研究[D].西安科技大学,2020.石云龙,宋小毛,于长江等.球形零价铁生物炭吸附Cd(Ⅱ)的性能和机制[J].精细化工,2022,39(06):1125-1133.LIUCW,YEJ,LINY,etal.Removalofcadmium(Ⅱ)usingwaterhyacinth(Eichhorniacrassipes)biocharalginatebeadsinaqueoussolutions[J].EnvironmentalPollution,2020,264:114785.ZHUJD,ZHAOFX,PENGTP,etal.Highlyelasticandrobusthydroxyapatitenanowires/polyimidecompositeaerogelwithanisotropicstructureforthermalinsulation[J].CompositesPartB:Engineering,2021,223:109081.ZENGY,WALKERH,ZHUQZ.ReductionofnitratebynayzeolitesupportedFe,Cu/FeandMn/Fenanoparticles[J].JournalofHazardousMaterials,2017,324:605-616.[1]刘清,刘欢,招国栋,许艺文.硫化纳米零价铁在水环境修复中的研究进展[J].应用化工,2021,50(5):1330-13341340.李洞明.硫化纳米零价铁及其改性去除水中Cr（Ⅵ）的研究[D]