固定化蟹壳生物炭制备及吸附Pb<sup>2+</sup>的研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-1271

摘要/Abstract

摘要：

以废弃的蟹壳为原料制备蟹壳生物炭（BC），采用海藻酸钠固定制备复合凝胶球。结合成球形态和对Pb²⁺的去除率发现，在BC与海藻酸钠质量比为1∶2的条件下制备的蟹壳生物炭-海藻酸钠凝胶球（BC-SA）的性能最佳。探究了影响BC-SA吸附Pb²⁺的因素及其再生能力，通过扫描电镜和傅里叶红外光谱仪对未添加BC的凝胶球和吸附Pb²⁺前后的BC-SA进行表征。结果表明，Pb²⁺溶液初始pH、BC-SA投加量、Pb²⁺初始浓度和反应时间都会对BC-SA吸附Pb²⁺产生显著影响。吸附过程符合拟二级动力学模型，表明吸附以化学吸附为主，Langmuir等温线可以更好地拟合实验数据，Pb²⁺最大去除率为91.06%。再生结果表明，经5次解吸-吸附循环后，BC-SA对Pb²⁺的去除率为82%，展现出良好的可重复利用性。BC得以成功地固定且BC-SA表面的羟基和羧基与Pb²⁺之间发生了官能团的络合作用。

关键词: 蟹壳生物炭, 海藻酸钠, 吸附, 铅离子, 固定化

Abstract:

The crab shell biochar（BC） was prepared from waste crab shells，and the composite gel ball was prepared by sodium alginate fixation. Combined with the shape of the ball and the removal rate of Pb²⁺，it was found that the performance of the crab shell biochar sodium alginate gel ball（BC-SA） was the best when the mass ratio of crab shell biochar to sodium alginate was 1∶2. The factors affecting the adsorption of Pb²⁺ by BC-SA and its regeneration ability were investigated. The blank rubber ball and BC-SA before and after adsorption of Pb²⁺ was characterized by scanning electron microscopy and Fourier infrared spectroscopy. The results showed that the initial pH of the Pb²⁺ solution，the amount of BC-SA dosage，the initial concentration of Pb²⁺，and the reaction time had significant effects on the adsorption of Pb²⁺ by BC-SA. The adsorption process conformed to the pseudo-second-order kinetic model，indicating that the adsorption was mainly chemical adsorption. Langmuir isotherm could better fit the experimental data，and the maximum removal rate was 91.06%. The regeneration results showed that after five desorption adsorption cycles，the removal rate of Pb²⁺ by BC-SA was 82%，showing good reusability. BC was successfully immobilized and the carboxyl group of hydroxyl group on the surface of BC-SA complexed with Pb²⁺.

Key words: crab shell biochar, sodium alginate, adsorption, Pb²⁺, immobilization

中图分类号:

TQ424

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https://www.iwt.cn/CN/Y2024/V44/I1/103

图/表 13

图1 BC投加量对BC-SA形态结构的影响

Fig.1 Effect of BC dosage on morphology and structure of BC-SA

图2 BC投加量对BC-SA吸附Pb²⁺的影响

Fig.2 Effect of BC addition on adsorption of Pb²⁺ by BC-SA

图3 初始pH对BC-SA吸附Pb²⁺的影响

Fig.3 Effect of initial pH on adsorption of Pb²⁺ by BC-SA

图4 BC-SA投加量对吸附Pb²⁺的影响

Fig.4 Effect of BC-SA dosage on Pb²⁺ adsorption

图5 Pb²⁺初始质量浓度对吸附Pb²⁺的影响

Fig.5 Effect of initial concentration of Pb²⁺ on adsorption

图6 BC-SA吸附Pb²⁺的拟一级动力学模型和拟二级动力学模型

Fig.6 Pseudo-first-order kinetic model and pseudo-second-order kinetic model of Pb²⁺ adsorption by BC-SA

表1 BC-SA吸附Pb²⁺的拟一级动力学模型和拟二级动力学模型拟合参数

Table 1 Fitting parameters of pseudo-first-order kinetic model and pseudo-second-order kinetic model of Pb²⁺ adsorption by BC-SA

拟一级动力学模型				拟二级动力学模型
k ₁/min^-1	q _e/（mg·g^-1）	R ²		k ₂/（g·min^-1·mg^-1）	q _e，cal/（mg·g^-1）	R ²
0.46	65.58	0.972 4		0.008	65.89	0.992 3

图7 BC-SA吸附Pb²⁺的Langmuir等温线模型和Freundlich等温线模型

Fig.7 Langmuir isotherm model and Freundlich isotherm model of Pb²⁺ adsorption by BC-SA

表2 BC-SA吸附Pb²⁺的Langmuir等温线模型和Freundlich等温线模型的拟合参数

Table 2 Fitting parameters of Langmuir isotherm model and Freundlich isotherm model for Pb²⁺ adsorption by BC-SA

Langmuir模型				Freundlich模型
Q _max/（mg·L^-1）	K _L	R ²		K _F	n	R ²
65.99	0.67	0.994 9		15.3	1.63	0.982 3

图8 BC-SA的吸附-解吸实验

Fig.8 Adsorption-desorption experiment of BC-SA

图9 未添加BC的凝胶球（a）和BC-SA吸附Pb²⁺前后〔（b）、（c）〕的SEM-EDS

Fig.9 SEM-EDS images of gel ball without BC（a） and BC-SA before and after adsorption of Pb²⁺ 〔（b），（c）〕

图10 未添加BC的凝胶球和BC-SA吸附Pb²⁺前后的FT-IR

Fig.10 FT-IR images of gel spheres without BC and BC-SA before and after lead ion adsorption

表3 不同海藻酸钠凝胶球吸附性能比较

Table 3 Comparison of adsorption capacity between different sodium alginate gel spheres

吸附剂	吸附量/（mg·g^-1）	Pb²⁺溶液初始质量浓度/（mg·L^-1）	回收次数	回收率/%	参考文献
西兰花茎生物炭海藻酸钠凝胶球	380.39	600	5	85.7	〔32〕
巯基改性蒙脱石纳米片水凝胶	38.79	100	4	55	〔34〕
棉杆生物炭-海藻酸钠气凝胶球	660.8	400	6	53	〔35〕
海藻酸钠基磁性复合材料	330.03	100	5	87.4	〔30〕
BC-SA	65.99	200	5	82	本研究

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