植物基铁碳微电解材料制备及其去除水中As（Ⅲ）的性能研究

作     者：李海东 

作者单位：西南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谌书;涂卫国

授予年度：2023年

学科分类：081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0815[工学-水利工程] 

主      题：铁碳微电解材料 植物有机质 热解 As(Ⅲ) 

摘      要：砷是自然界中普遍存在的有毒类金属元素,易通过自然风化和人工开采等活动进入到水体和土壤环境中。人体长期接触或暴露在高砷环境下健康会受到严重危害。因此,开发低成本高效治理砷污染水体技术是解决上述环境问题的关键。铁碳微电解材料制备简单,同时兼具氧化还原、混凝沉淀和吸附污染物的能力,在砷污染治理领域具有一定优势。但是,传统铁碳微电解材料主要是将还原铁粉、工业碳粉和粘结剂按照一定比例混匀,由固定模具压制成型后通过高温烧结制备完成。此过程需消耗大量工业碳粉和粘结剂,提升了制备成本;并且工业粘结剂在高温焙烧下易板结,不利于铁碳材料烧制过程中孔隙结构的产生。同时在砷污染水体的去除过程中,降低了Fe-C反应电极与含砷废水接触面积,阻碍微原电池反应过程中电子转移,导致去除效率不佳。为解决上述问题,本论文以湿地植物为生物质原材料,与还原铁粉和膨润土,通过“均质化—碳化—焙烧工艺流程,在一次性梯度升温条件下制备了具有高As(Ⅲ)污染去除能力和良好孔隙结构的湿地植物基铁碳微电解材料。并结合响应面法,探讨了不同植物有机质的最优制备条件;同时探究了植物基铁碳微电解材料对As(Ⅲ)的去除机理。具体研究结果如下:1、在As(Ⅲ)去除过程中,植物基铁碳微电解材料的氧化还原性质、电子传递能力、微原电池形成数量、表面吸附能力及渗透性起到最为关键作用,因此研究了制备过程对于上述性质及砷污染去除效率的影响。结果发现:(1)随着烧制温度升高,碳基组分的醌基官能团与半醌官能团等氧化官能团数量增加,材料的氧化能力显著提升,在500℃达到最佳;同时,由于H元素丢失,H/C元素比例降低,材料的芳香化程度提高,增强了铁碳微电解材料的电子传递能力。(2)还原铁粉投加量对微原电池阳极数量产生影响,直接决定了植物基铁碳微电解材料去除As(Ⅲ)的反应速率。因还原铁粉在制备过程中存在氧化风险,当还原铁粉过量5%(即Fe/C为1.05)时去除效果最佳。(3)膨润土晶体结构层在烧制温度高于700℃时发生瓦解,晶体结构发生从排,显著提升了材料的渗透性。2、为验证“均质化—碳化—焙烧工艺流程在植物基铁碳材料制备过程中的应用,进一步开展了不同植物生物质前驱体制备植物基铁碳微电解材料的最优制备条件。结果发现不同有机组分中,纤维素和半纤维素含量越高,较低的碳化和焙烧温度能降低材料中灰分含量,提高有效碳元素含量,增加微原电池中阴极数量;木质素含量越高,在高焙烧温度下,植物基氧化官能团增多并形成具有类石墨结构的Π共轭晶格体系,使得植物基铁碳材料氧化及电子传递能力提高,有利于As(Ⅲ)转化为更易于吸附去除的As(Ⅴ),从而提高对As(Ⅲ)的去除效率。3、在上述研究制备得到的植物基铁碳微电解材料,进一步探究其对As(Ⅲ)去除过程:包括吸附和氧化混凝沉淀去除。其中吸附作用主要发生在:As(Ⅲ)被吸附固定于铁碳微电解材料表面和多孔结构中;氧化混凝沉淀去除主要为:铁碳微电解材料碳基组分中醌基官能团与半醌官能团等氧化官能团将As(Ⅲ)氧化为As(Ⅴ),As(Ⅴ)与Fe-C组成的微原电池发生原电池反应产生的Fe和Fe离子产生铁盐混凝沉淀,实现对水溶液中As(Ⅲ)的去除。4、为了进一步验证植物基铁碳微电解材料对As(Ⅲ)去除的实际应用效率,开展了连续动态流柱试验,发现了在连续去除过程中,植物基铁碳微电解材料外表面有轻微腐蚀氧化,整体结构完整,未发现破碎现象。并在第4次连续应用过程中仍具有超过85%的去除效果。