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活性炭从水溶液中除去磷酸盐
文章编辑:优德88官方网站网络部 更新时间:2019-4-26 14:53:17

  磷是水生动植物生长和代谢的限制性营养素,也是水质和水生生态系统的重要指标。磷与水质有关的主要问题之一是富营养化,水中藻类大量繁殖,导致水质高浊度和低溶解氧。在本期内容,大家合成了一种新型的铁改性活性炭,用于从水溶液中除去磷酸盐。活性炭中的铁主要存在于非晶相中,如水铁矿和无定形氢氧化物,这大大增强了磷酸盐的吸附。

  活性炭和铁改性活性炭的性质

  与原活性炭相比,改性后的活性炭中铁含量显着增加,而Al,Ca和Mg含量适度下降。改性活性炭主要含有金属元素,能量色散谱仪(EDS)也证实了这一点。如图1a和b所示,SEM图像聚焦区域的EDS光谱相对于Fe显示出明显的峰值。XPS光谱还证实Fe在修饰的活性炭中存在图2a。在活性炭的EDS光谱中也可以看到相对于Si,Al和Ca的峰。此外,XRD谱表明原始CSB在23.0°处具有宽峰图2b,其占纤维素晶面。然而,在X射线衍射图案得到了没有尖锐的峰,这表明存在于铁改性活性炭样品中的铁主要存在于非结晶状态,其表现出低的结晶度。来自图1a中的SEM光谱很明显,原始活性炭的表面相对光滑,一部分内在特征表现出来,而接改性活性炭的表面形态粗糙多孔。与原始活性炭相比,许多微细化和纳米尺寸的孔不规则地分布在改性活性炭的表面上。通过改性活性炭中平均孔径的增加值也证实了观察结果。

  图1:SEM图像和活性炭(a)和铁改性活性炭(b)的相应EDS光谱。

  图2:活性炭和铁改性的XPS(a)和XRD(b)光谱。

  活性炭和特改性活性炭对磷的吸附机理

  为了解铁改性活性炭对磷的吸附机理,进行了一系列的额外分析。首先,改性活性炭含有高含量的铁和一些Al,Mg和Ca这些金属氧化物可以将金属离子释放到溶液中,并且在低初始pH条件下以Fe 3+,Ca 2+,Mg 2+和Al 3+存在。随后,表面沉淀可能通过在磷酸根阴离子和这些金属离子之间形成不溶性沉淀物而增强磷酸盐的去除。

  其次,在铁改性活性炭表面形成的铁氢氧化物很容易在酸性溶液中质子化,导致形成带正电的表面,当它在碱性溶液中去质子化时,会形成带负电的表面。结果是,主要的磷酸根阴离子可以通过静电相互作用被改性活性炭强烈吸附。溶液pH值的进一步增加导致改性活性炭表面的逐渐去质子化,因此带来更多的负电荷。因此,吸附的磷酸盐量急剧减少。发现,初始pH值和磷酸盐由改性活性炭吸附量之间存在很强的负相关。这些结果表明,磷酸根阴离子和带正电荷的表面之间的静电吸引力可能是铁改性活性炭吸取磷酸盐的重要机制。

  在磷酸盐吸取之前和之后活性炭和铁改性活性炭的FTIR光谱绘制在图3中。在磷吸附后,与铁改性活性炭和活性炭相比,改性活性炭的FTIR光谱显示出重要的差异。如图4揭示了四种可能的机制来控制铁改性活性炭从水溶液中吸附磷酸盐的过程。

  图3:吸附前后活性炭和铁改性活性炭的FTIR光谱。

  图4:磷酸盐吸附到铁改性活性炭上的可能机制。

  结果发现铁改性活性炭具有优异的磷酸盐吸附性能。拥有对磷的高吸附容量,是原始活性炭的2.73倍。活性炭对磷酸盐的吸附是一个吸热过程,吸附能力受pH,腐殖酸和温度的影响很大。铁改性活性炭对磷酸盐的吸附主要受四种机制控制:配体交换,静电吸引,化学沉淀和内部粒子络合。因此,铁改性活性炭可被认为是有前景的替代生物滞留介质或用于去除磷酸盐的好材料。

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