负载硫化锰的改性生物炭对水中重金属镉的去除研究

【摘要】：作为世界卫生组织(WHO)认定的对人体毒性最强的重金属之一,镉(Cd)是废水排放标准中严格控制的第一类污染物。吸附法是去除水中Cd较好的方法,因此开发高效、廉价的吸附剂已成为当今的研究重点。硫化锰可以有效从废水中分离去除Cd(II),使用生物炭负载硫化锰可以强化其去除效果。因此,本研究首先制备负载硫化锰的功能化生物炭(MnS-fBC)并确定最佳负载比例,通过表征对负载效果进行评估。其次,考察影响因素对MnS-fBC吸附Cd(II)的影响,并结合表征结果对吸附机理进行解析。随后,探究不同氧化条件对材料与溶液中Cd吸附的影响,并具体分析反应的动态过程。最后,对吸附Cd(II)后MnS-fBC的环境风险进行评估,通过再热解稳定MnS-fBC中的重金属Cd,并分析在不同温度下再热解吸附后MnS-fBC的潜在生态风险。具体结论如下:1.制备MnS-fBC生物炭,不同负载比例的MnS-fBC对Cd(II)均有良好的去除效果,最佳负载比例为1:1。2.制备的MnS-fBC随着溶液pH值的提高会促进Cd(II)的吸附。体系内Cd(II)的去除率则随着Cd(II)初始浓度的提高而逐渐降低。随着温度的升高,吸附量与吸附速率均有所提升。增大生物炭的投量可强化去除效率,但会降低单位体积吸附的Cd(II)量。阴离子能促进Cd(II)的吸附,而阳离子则阻碍Cd(II)的吸附。生物炭在循环试验中具有良好的回用性能。MnS-fBC对溶液中Cd(II)吸附的可能机理包括:(1)溶液中Cd(II)与生物炭的MnS直接发生结合(吸附)形成络合物;(2)生物炭上MnS在水中被溶解氧氧化,形成锰氧化物(或者是本身存在的锰氧化物),并与溶液中的Cd(II)发生结合(吸附);(3)生物炭上负载的MnS中与S(-II)结合的Mn被释放,而空出的S(-II)则与Cd(II)形成CdS并被生物炭固化。3.MnS-fBC氧化会使MnS-fBC发生脱S现象,Mn的价态升高,降低吸附效果。未氧化的MnS-fBC在厌氧体系中对Cd(II)的吸附效果比好氧体系中更好。不同氧化条件下,吸附反应均可分为3个阶段,在不同反应阶段中其反应机理有所不同。4.将吸附后的MnS-fBC进行再次热解有利于促使碳基质中已吸附的Cd进一步稳定,可减少残留生物炭的量,并减少生物可利用组分与Cd释放到环境中的风险,是一种安全处置吸附重金属后生物炭的方法。在更高的再次热解温度下,残余物的安全性更高。本研究制备的MnS-fBC可有效去除水中的Cd(II)。其去除效果受到多种因素的影响,而氧化条件对材料本身以及溶液中吸附动态影响较大。MnS-fBC具有良好的回用性能。通过再热解手段可以有效减少废弃材料的生态风险。因此,本研究提供的新型吸附剂MnS-fBC可用于高效去除水中Cd(II)。