炭氣凝膠對染料的吸附及作為粒子電極的電化學(xué)特性研究.pdf

1、活性染料廢水由于排放量大、色度高、水質(zhì)復(fù)雜，水溶性高等特點使其成為廢水處理中的難點。迄今為止，吸附法仍是處理染料廢水的主要方法，開發(fā)新型、高效、環(huán)境友好的吸附劑是環(huán)境工作者的主要任務(wù)。由于活性染料分子較大，微孔型吸附劑對其吸附受到了限制，而中孔型吸附劑對其吸附則具有潛在的應(yīng)用前景。近幾年電化學(xué)法也因無需添加藥劑、便于控制、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點成為一種具有競爭力的處理方法。尤其是三維電極技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景。反應(yīng)器中粒子電極是控制反應(yīng)器

2、性能的關(guān)鍵因素故要求有較高比表面積和合適的導(dǎo)電性。這些廢水處理的方法和進展都為環(huán)境材料提出了要求。炭氣凝膠是一種典型中孔炭材料，其特點表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)多中孔、顆粒直徑小、孔隙率高、導(dǎo)電性好、比表面積大及根據(jù)需要可以加工成任意形狀。這些優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和性能決定了它作為一種新型炭材料在環(huán)境保護領(lǐng)域的應(yīng)用價值。為探索炭氣凝膠在活性染料廢水處理方面的應(yīng)用，我們制備了一系列炭氣凝膠吸附劑研究了其對活性染料吸附的可行性、有效性、吸附特性及吸附機理，揭示了炭氣

3、凝膠的孔結(jié)構(gòu)、改性以及染料分子的性質(zhì)對吸附的影響作用。同時以炭氣凝膠為粒子電極考察了三維電極技術(shù)對活性染料廢水處理的可行性，研究了脫色影響因素及脫色動力學(xué)并初步探討了脫色機理。另外我們還制備了金屬氧化物負載的炭氣凝膠，探討了金屬種類、前體及熱處理溫度對結(jié)構(gòu)和性能的影響作用。研究結(jié)果如下： 1．炭氣凝膠是一種對活性染料具有廣泛吸附性能的新型材料。其吸附性能受染料分子尺寸和化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響作用。分子量越小的活性染料在炭氣凝膠上的吸附容

4、量越大。通過研究各種中孔和微孔構(gòu)成的炭氣凝膠樣品和商品活性炭對不同分子量大小的活性染料分子的吸附行為，證實了炭氣凝膠的微孔和中孔對染料分子的吸附均有貢獻。中孔不僅對吸附有貢獻，同時也為吸附質(zhì)的擴散提供寬敞的通道。微孔對較小分子吸附的貢獻作用較大，當(dāng)染料分子量較大時，微孔對其吸附的貢獻作用非常小，幾乎沒有貢獻。硝酸活化生成的表面含氧官能團對活性染料的吸附不利。而炭氣凝膠表面的堿性基團的增加有利于活性染料分子的吸附。 2．吸附等溫線

5、研究表明炭氣凝膠相對有機氣凝膠對活性艷紅X-3B具有較大吸附容量。實驗條件下吸附量高達609mg/g。表明炭氣凝膠在炭化過程中生成的微孔和類石墨結(jié)構(gòu)明顯增強了其對染料的吸附能力。分析吸附過程以物理吸附為主，傾向于多分子層吸附。動力學(xué)分析表明活性艷紅X-3B在炭氣凝膠上的吸附既受顆粒內(nèi)傳質(zhì)阻力的影響，也受吸附機制的作用。而在有機氣凝膠上吸附的限制因素是吸附機制，而不是傳質(zhì)。熱力學(xué)研究表明該吸附過程為吸熱過程。炭氣凝膠及有機氣凝膠對活性艷紅

6、X-3B的吸附量與染料溶液的pH值、吸附劑的R/C、吸附劑的用量和顆粒大小有關(guān)。兩者的吸附容量均隨R/C的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。R/C=200時表現(xiàn)出最大吸附容量。當(dāng)溶液的pH>12或pH<4時，吸附容量明顯增加?；钚云G紅X-3B的去除率隨著吸附劑的質(zhì)量的增加而增加。兩者吸附量均隨吸附劑粒子尺寸的減小而增加。 3．固定床吸附表明炭氣凝膠對活性艷紅X-3B的動態(tài)吸附容量受染料溶液的流速，初始濃度和炭氣凝膠床高的影響。炭氣凝膠

7、對活性艷紅X-3B的動態(tài)吸附容量隨染料溶液流速和初始濃度降低而增加，但隨床高增加而增加。吸附速率的變化則呈相反趨勢。不同R/C和碳化條件的炭氣凝膠的柱性能明顯不同。當(dāng)炭氣凝膠的R/C從100增加到1000時，其對活性艷紅X-3B吸附速率明顯增加。而動態(tài)吸附容量則先增加后減小。當(dāng)炭氣凝膠的碳化溫度升高時對活性艷紅X-3B的吸附速率明顯降低，而吸附容量則顯著增加。二氧化碳活化后的炭氣凝膠的吸附容量比未經(jīng)活化的吸附容量明顯增加，而吸附速率則降

8、低。 4．通過比較以炭氣凝膠為粒子電極的三維電極與二維電極及純吸附體系對活性艷紅X-3B的處理效果，證實了炭氣凝膠粒子電極的可行性和有效性。以炭氣凝膠為粒子電極填充的三維電極反應(yīng)器對活性艷紅X-3B模擬染料廢水的電化學(xué)脫色效果優(yōu)良。其脫色性能優(yōu)于簡單的二維電極與純吸附的疊加效果。炭氣凝膠連續(xù)使用一百次以上，活性艷紅X-3B模擬染料廢水的電化學(xué)脫色率仍高達95％。通過紫外光譜和化學(xué)需氧量的測量分析活性艷紅的脫色機理，揭示了結(jié)構(gòu)中偶

9、氮雙鍵的斷裂和不飽和基團的破壞是造成活性艷紅X-3B染料脫色的原因。 5．活性艷紅X-3B在以炭氣凝膠為粒子電極的三維電極反應(yīng)器中脫色快速，其脫色動力學(xué)符合假一級動力學(xué)方程。脫色動力學(xué)研究表明活性艷紅X-3B在三維電極中，其電化學(xué)脫色速度和效果受槽電壓、空氣流量、粒子電極用量以及染料溶液的濃度、pH值等多種因素影響。在電化學(xué)過程中，脫色率隨著處理時間、槽電壓、粒子電極用量的增加而增加。但隨著染料初始濃度的增加，脫色率會減小。當(dāng)染

10、料溶液的pH從5.1變?yōu)?.8和9.6時，活性艷紅X-3B的脫色率大大提高。當(dāng)空氣流量較低時，隨著空氣流量的增加，脫色率增加。而當(dāng)空氣流量到達一定值時，脫色率變化不大。 6．通過浸漬熱解法制備了金屬氧化物負載的炭氣凝膠樣品，此類材料仍具有豐富的中孔。負載后炭氣凝膠的N<,2>吸附量降低。炭氣凝膠中的金屬氧化物組分以納米粒子的形式分散在以納米炭顆粒連接而成的三維多孔網(wǎng)絡(luò)基體中，顆粒尺寸在10到100納米之間。其中Fe、Cu、Ni、