壳聚糖-稀土-生物炭对水体Cr(Ⅵ)的吸附性能分析_孟阳.pdf

投稿网址：http：/辽宁石油化工大学学报JOURNAL OF LIAONING PETROCHEMICAL UNIVERSITY第43卷 第3期2023 年6月Vol.43 No.3Jun.2023壳聚糖稀土生物炭对水体Cr()的吸附性能分析孟阳，魏太庆，艾丹，王博，范志平（辽宁石油化工大学 环境与安全工程学院，辽宁 抚顺 113001）摘要：以玉米秸秆为生物炭原料，通过壳聚糖和稀土对其改性，分别制备了壳聚糖氯化镧生物炭复合材料(CBCLa)和壳聚糖氯化铈生物炭复合材料(CBCCe)。采用 XRF、FTIR 和 XRD 对 CBCLa和 CBCCe的结构与性能进行分析，探究了不同吸附条件下对水体 Cr()的吸附性能。结果表明，Langmuir方程能够很好地模拟等温吸附行为，准一级动力学方程的拟合度较高，CBCLa和 CBCCe的平衡吸附量理论值分别为 21.08、19.16 mg/g，表现出良好的吸附效果。解吸实验结果表明，CBCLa和 CBCCe具有重复使用的可能性；吸附机制主要包括静电作用、氢键作用和离子交换。实验证明，壳聚糖稀土生物炭复合材料对去除水体 Cr()具有良好的应用前景。关键词：生物炭；氯化镧；氯化铈；壳聚糖；六价铬；吸附中图分类号：TE992.1 文献标志码：A doi：10.12422/j.issn.16726952.2023.03.003Adsorption Performance of ChitosanRare EarthBiochar Composite for Cr()in WaterMeng Yang，Wei Taiqing，Ai Dan，Wang Bo，Fan Zhiping（School of Environmental and Safety Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China）Abstract:Using corn straw as raw material of biochar and modified with chitosan and rare earth,chitosanlanthanum chloridebiochar composites and chitosancerium chloridebiochar composites were prepared respectively.The structure and performance of CBCLa and CBCCe were analyzed by XRF,FTIR and XRD.The adsorption properties of Cr()in water under different adsorption conditions were investigated.The experimental results show that the Langmuir equation can simulate the isothermal adsorption behavior well,and the quasi first order kinetic equation has a higher fitting degree.The theoretical equilibrium adsorption capacity are 21.08 mg/g and 19.16 mg/g,which is close to the actual value.The desorption experiments show that CBC La and CBC Ce had the possibility of reuse.The adsorption mechanism mainly includes electrostatic adsorption,complexation and ion exchange.The experimental results show that the chitosanrare earthbiochar composite material has a good application prospect in the removal of Cr()from water.Keywords:Biochar；Lanthanum chloride；Cerium chloride；Chitosan；Cr()；Adsorb重金属类物质是水体污染的主要成因1。其中，Cr()具有致癌性，即使在较低的浓度下也存有较高毒性，对人类健康以及生态环境产生不利影响2。因此，Cr()对水体造成的污染更是引发社会各界的关注，含 Cr()废水控制的研究已成为热点方向。目前，去除 Cr()的方法主要包括化学沉淀、氧化还原、离子交换、生物法和吸附法等3。与其他方法相比，吸附法具有易操作、能耗少等特点，被认为是一种简单有效且广泛应用的处理方法4。在吸附法中，吸附剂是去除污染物的关键。目前主要的吸附剂有天然黏土矿物、硅胶材料、沸石、活性炭等5，这些吸附剂均具有较为良好的吸附性能。但是，由于使用成本普遍较高，使其难以被广泛应用。因此，开发一种经济且高效的新型吸附剂，对去除水体重金属污染物具有重要意义。生物炭是以生物质为原料，在部分缺氧或完全缺氧的条文章编号：16726952（2023）03001407收稿日期：20211027 修回日期：20211216基金项目：国家自然科学基金项目（41977074）。作者简介：孟阳（1996），男，硕士研究生，从事环境修复材料制备方面的研究；Email：。通信联系人：范志平（1970），男，博士，教授，从事环境科学与工程、环境生态工程方面的研究；Email：。第 3 期孟阳等.壳聚糖-稀土-生物炭对水体 Cr()的吸附性能分析件下，经低温（700）裂解炭化而成的固态物质6，具有一定的表面活性，且具有比表面积大和富含官能团等优点78。然而，生物炭表面官能团的类型对吸附重金属离子产生影响9。壳聚糖是一种天然的生物高分子线性多糖，由于其富含官能团（如氨基和羟基），显示出很高的重金属吸附潜力10。王丽丽等11通过壳聚糖修饰引入氨基官能团，有效促进了对重金属的去除。近年来，稀土材料在环境保护中逐渐成为研究热点12。李彬等13以分子筛为载体制备了负载稀土镧的复合吸附剂，在处理弱酸性含铬废水的实验中，表现出较好的吸附性能。因此，本文以玉米秸秆为生物炭原料，通过壳聚糖和稀土(LaCl3、CeCl3)将其改性，制备了经济、环保的壳聚糖稀土生物炭复合材料(CBCLa、CBCCe)，探讨了改性生物炭对水体 Cr()的吸附效应，评估了其用于去除水体污染物 Cr()的应用前景。1 实验部分 1.1 实验试剂与仪器氯化镧(LaCl3)、氯化铈(CeCl3)、二苯碳酰二肼(Cl3H14N4O)，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；氢氧化钠(NaOH)、盐酸(HCl)，分析纯，沈阳东兴化学试剂厂；重铬酸钾(K2Cr2O7)，分析纯，天津大茂化学试剂厂。2021A 型电热恒温干燥箱，上海丙林电子科技有限公司；CHASA 型气浴恒温振荡器，江苏新春兰科学仪器公司；HX01型无油真空泵、852A 型恒温磁力搅拌器，金坛市科仪仪器有限公司；FA1004型电子天平，欧莱博科技公司；UV1780 型紫外可见光光度计，上海元析仪器有限公司；KBF11Q型气氛炉，郑州鑫涵仪器设备有限公司；WPUPLH10型理化分析性超纯水机，盐城市凯特实验仪器公司；D8 Advance型 X射线衍射仪、S8 Tiger型 X射线荧光仪，布鲁克集团公司；IS50 FTIR 型傅里叶变换红外光谱仪，赛默飞世尔科技公司。1.2 复合材料吸附剂的配制方法将洗净的玉米植物秸秆放置于 105 的烘箱内烘干，干燥完全后，使用粉碎机粉碎，粉末过 100 目分样筛。将 1 g壳聚糖溶解在 100 mL的 CH3COOH溶液中，同样方法制备两份。将 1 g 生物炭和 1 g LaCl3加入壳聚糖溶液中，另外，将 1 g 生物炭和 1 g CeCl3加入另一份壳聚糖溶液中，在 40 C 的条件下搅拌 30 min。搅拌结束后，向两份溶液中分别加入15 mL 的戊二醛，然后逐滴加入 NaOH，直至 pH 达到 9.00，继续搅拌 60 min。过滤液体，样品烘干后得复合材料吸附剂，分别记为 CBCLa和 CBCCe。1.3 材料的表征方法与数据处理采用 X 射线衍射仪(XRD)测定样品的晶体结构；采用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)测定样品的表面官能团；采用 X 射线荧光仪(XRF)测定样品表面的化学组分。1.4 实验设计1.4.1吸附动力学和等温线实验 分别采用浓度为 2 mol/L 的 NaOH 和 HCl 溶液，将质量浓度为100 mg/L 的 Cr()溶液的 pH 调节至 4.27。在温度为 26、转速为 250 r/min 的条件下振荡，分别在15、30、60、120、240、360、480 min 时 取 样。量 取25.0 mL 质 量 浓 度 分 别 为 70、100、120、160、200 mg/L 的 Cr()溶液，分别加入装有 0.05 g CBCLa和 CBCCe 的离心管中。在温度为 26、转速为250 r/min的条件下，振荡 8 h。1.4.2溶液 pH 影响实验 采用浓度为 2 mol/L的 NaOH 和 HCl 调节 pH 为 3.16、4.23、5.67、7.68、10.51，在温度为 26 的条件下，振荡 8 h 后测定吸光度。1.4.3离子强度实验 配制 70、100、120、160、200 mol/L 的 Cr()溶液，分别加入 0.1、1.0 mol/L的 KCl溶液。在 26、250 r/min的条件下振荡 8 h。1.4.4共存阴离子实验 向 25.0 mL质量浓度为100 mg/L 的 Cr()溶液中分别加入 NaCl、Na2SO4和 KNO3后，再将溶液加入分别装有 0.05 g 的 CBCLa 和 CBCCe 的离心管中。在 26、250 r/min 的条件下振荡 8 h。1.4.5解吸实验 将等温吸附体系中得到的吸附 Cr()的生物炭洗净干燥后备用。加入 100.0 mL浓度为 4 mol/L 的 NaOH 溶液，在 26、250 r/min的条件下振荡 4 h。2 结果与分析 2.1 材料的表征2.1.1XRF 分析 图 1 为 CBCLa 和 CBCCe 的XRF 谱图。从图 1（a）可以看出，CBCLa 表面 Si的质量分数最大（41.6%），其次是 La（33.0%）和 Na（7.7%），这表明壳聚糖和 LaCl3已经成功负载到生物炭的表面。从图 1（b）可以看出，壳聚糖和 CeCl3也成功负载到了生物炭的表面14。2.1.2FTIR 分析 图 2 为 CBCLa 和 CBCCe的 FTIR 谱 图。从 图 2 可 以 看 出，3 460、3 470 cm-1处的吸收峰分别为 CBCLa 和 CBCCe 表面-OH 的伸缩振动；2 192、2 927 cm-1处的吸收峰为 壳 聚 糖 所 含 亚 甲 基 的 振 动 峰15；1 568、1 560 15辽宁石油化工大学学报第 43 卷cm-1处的吸收峰为羧基伸缩振动16。另外，468778 cm-1和 468782 cm-1处的吸收峰分别来源于La-O 和 Ce-O 的伸缩振动17。由此可以判定，CBC 表面成功负载了壳聚糖和稀土元素。2.1.3XRD 分析 图 3为 CBCLa和 CBCCe吸附前后的 XRD谱图。从图 3可以看出，CBCLa和 CBCCe在 20.050.0均存在峰值，在 2 为 26.8和 31.6时分别形成了 CBCLa 和 CBCCe 的特征峰，表明形成了新的矿物相18；CBCLa 和 CBCCe 吸附前峰值较为