高锰酸钾改性芦苇生物炭对水中铅的吸附研究

论文总字数：19868字

目 录

1.绪论1

1.1. 水体重金属污染现状及危害1

1.1.1. 铅的来源1

1.1.2. 铅的危害1

1.2. 常见去除水体重金属方法2

1.2.1. 沉淀法2

1.2.2. 离子交换法2

1.2.3. 电解法2

1.2.4. 膜分离法 2

1.2.5. 吸附法 3

1.3. 常见的吸附剂3

1.4. 生物炭3

1.4.1.生物炭的性质3

1.4.2.生物炭的改性方法4

1.5.研究意义4

2.材料与方法5

2.1.主要的试剂与仪器 5

2.2. 芦苇生物炭制备及改性 5

2.2.1.生物炭的制备 5

2.2.2.生物炭的改性 5

2.2.3. Pb² 溶液的配制与分析方法 5

2.3. 实验方法 6

2.3.1.改性条件的选择 6

2.3.2. 生物炭的表征6

2.3.3.批量吸附实验 6

3.结果与讨论 6

3.1.最佳改性条件的选择 6

3.2. 生物炭的基本性质 6

3.3.溶液初始pH的影响7

3.4.溶液离子强度的影响 8

3.5.吸附等温线 9

3.6.热力学分析10

3.7.吸附动力学 10

4.结论 12

参考文献 13

致谢16

高锰酸钾改性芦苇生物炭对水中铅的吸附研究

王怡婷

, China

Abstract: Potassium permanganate was used as modification reagent to modify reed biochar. The biochar which biochar/KMnO₄ mass radio was 10:4 had the largest adsorption capacity. The effects of initial solution pH, biochar dosage and ionic strength on the removal effect of Pb² in aqueous solution were investigated by batch adsorption experiments. The results demonstrated that when solution pH was between 2~5.5, the adsorption capacity increased as solution pH increases; it was observed that the existence of Na and Ca² in solution didn’t have significant effect on the adsorption. The adsorption isotherms were fitted better to Langmiur Equation , and the maximum experimental adsorption capacities was 124.17 mg·g^-1, which was 4.25 times more than that the value measured by adsorption experiment with unmodified reed biochar. The thermodynamics parameters of ΔG^θlt;0, ΔH^θgt;0 and ΔS^θgt;0 demonstrated that the adsorption was a spontaneous, entropy increasing and endothermic process. The kinetics experimental data were fitted better to the pseudo-second-order equation and the adsorption process wasn’t controlled only by intra-particle diffusion.

Key words: reed biochar; modification; adsorption; lead

1.绪论

1.1.水体重金属污染现状及危害

淡水是所有生物和生态系统维护生物最根本和最重要的资源。在全球水资源的2.7％左右是地下水，湖泊，河流和冰川等淡水资源，其中只有0.6％可以用作饮用水。然而，即使这一小部分的水也由于人类将污染物排放到水生生态系统中而受到重大污染。

如今中国是一个工业大国，现代化工业的迅猛发展使得水体重金属污染问题越来越突出，然而人类对水资源的需求日益增加，对水质的要求日益严格，因此，水体中的重金属超标是一个亟待解决的问题。重金属污染已经成为包括俄罗斯、美国、印度、法国、中国、阿根廷、韩国以及其他很多国家在内都存在的全球性环境问题之一^[1]。地表水的重金属污染不仅会影响生态系统，危害水生动植物，也会对影响食品安全危害人体健康，进而甚至会对国家的经济效益和社会效益产生不良影响^[2]。铅是重金属中对人体危害和环境毒性最大的几种重金属之一，具有生物不可降解性，在生物链中富集、传递，会产生长期性危害，而且具有毒性和致癌性^[3]。寻求高效经济的方法来治理日益严重的重金属水体污染问题是当务之急。

1.1.1.铅的来源

水体中的铅主要包括自然来源和人为活动来源两部分，自然来源主要是由于岩石分化，火山爆发，森林火灾等自然现象而产生，属于极少部分，占主要部分的还是通过人类活动进入到水体环境中的铅。人为来源主要包括矿石燃料的燃烧以及含硫矿物的冶炼，金属电镀业、电池厂、塑料厂和造纸厂等未经处理或者处理不当的污水的排放^[4]。据不完全统计，我国向环境中排放铅的总量高达3.5万吨每年^[5]。铅暴露导致每年近67万人中毒死亡^[2]，此外，因重金属浓度超标而导致的水污染事件频发，仅2010年一年之内，中国就发生了9起血铅事件 ^[6]。

1.1.2.铅的危害

铅是一种优先污染物，具有不可降解性、富集性、致癌性等有害特性，可通过废气、废渣、废水等携带进入环境，造成严重的环境污染，进一步危害到人类的生命安全，对机体的伤害大多呈多系统性、多器官性。

呼吸道和消化道是是环境中的铅进入人体的主要通道，同时，皮肤也是一个吸收有机铅的主要媒介，铅进入人体并随着血液循环遍布全身。铅一旦进入人的体内就非常难以排除，它会迅速与人体内的氨基酸发生配位反应，使人体的正常生理功能得到不可逆的有害影响，还会影响造血功能（因其阻碍血红蛋白形成），更加严重的会干扰神经系统的正常功能，甚至可导致生命体消亡。儿童更容易收到重金属铅的毒害，当儿童血液中的铅浓度达到50~60 μg·（100 mL）^-1时便会出现中毒症状。若儿童长时间接触铅即使是低浓度的铅，也会引起行为功能障碍，常见的行为障碍有运动失调、注意力不集中、模拟学习困难、侵袭性增强、空间综合能力下降、智商下降、多动、和易冲动等^[7]。对成人的影响主要表现为：会引起肝脏、肾脏以及心血管方面的疾病，甚至也会影响生殖功能^[8]。

世界卫生组织（WHO）以及美国自来水协会(AWWA)和印度标准局(BIS)规定的铅饮用水限值均为0.05 mg·L^-1，美国环境保护部允许饮用水中铅的最大浓度为0.015 mg·L^-1，而《中华人民共和国自来水水质国家标准》规定的铅限值为0.01 mg·L^-1[9]。《中华人民共和国地表水环境质量标准》规定的Ⅲ类水的铅限值为0.05 mg·L^-1[10]。但是被重金属污染的水体中的铅浓度会超标数倍甚至上百倍。已经有研究表明太湖底泥中铅含量已达到轻污染水平，城市河流有25%的河段铅超标 ^[11]。

1.2.常见去除水体重金属方法

目前国内 许多去除水体中重金属离子的方法已经趋于成熟，主要包括沉淀法、膜分离法、离子交换法、电解法以及吸附法^[12-13]等。

1.2.1.沉淀法

化学沉淀法的原理是将某些化学物质投放到废水中，使它与废水中的重金属离子直接发生化学反应，生成难溶于水的固体沉淀物而使得重金属分离去除。根据沉淀类型的不同，在含重金属废水的处理过程中，化学沉淀又可分为难溶盐沉淀法、氢氧化物沉淀法以及铁氧体法^[14]。其中氢氧化钙沉淀法是目前应用最广的一种方法，操作过程中，控制好溶液的pH是反应的关键，若碱性过高会导致形成的沉淀以羟基络合物的形式溶解。

现如今化学沉淀法主要应用于处理富含重金属离子的工业废水，化学药品的投加剂量很大，运行成高，处理后会产生严重的二次污染，如大量废渣的产生，且目前尚无较好的处理处置废渣的方法。

1.2.2.离子交换法

离子交换是依靠离子交换剂上的交换基团，与废水中的重金属离子进行交换反应，将金属离子置换到交换剂上予以去除的方法。一般情况下，离子交换剂除了具有离子交换的作用外，还可能具有吸附作用。杨明平等^[15]采用苯氧基乙酸和甲醛为原料合成了含醚键的离子交换树脂吸附去除水中的铅，实验结果表明该交换树脂对铅的吸附量可达2.3 mol·kg^-1。

但是传统的离子交换树脂对重金属的选择性较差，易受污染，再生性差，且吸附容量低，导致处理水的运行成本高，实际运行困难。

1.2.3.电解法

电解法是一种通过电极与重金属离子发生化学反应而消除重金属毒性的方法。通常以铝和铁作为电解槽的电极，在直流电压下进行电解。阳极失去电子后，氢氧根离子与阳极上形成的离子结合，形成氢氧化物沉淀，而水体中的重金属离子就已经被吸附在这些氢氧化物沉淀上了。至此，重金属从液相转移到固相中。然后利用电解产生的气泡的上升或者下沉，从而实现重金属的分离。张书海等^[16]利用铁炭微电解的原理，阴极产生的氢可还原水中的有机物而它的阳极会产生新生态Fe² ，具有絮凝-吸附活性，可吸附溶液中的Pb² 等重金属离子。

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