生物炭吸附耦合过硫酸盐再生去除水中腐殖酸

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-1060

摘要/Abstract

摘要：

生物炭来源广泛、成本低，可活化过硫酸盐实现吸附和催化降解水中污染物的功能。然而，生物炭吸附和催化性能较低、回收性较差、孔道易堵塞等缺点限制了其推广应用。提出了利用椰壳生物炭（CB）吸附耦合过二硫酸盐（PDS）再生实现去除水中腐殖酸（HA）的方法。结果表明，CB本身可通过吸附或催化PDS实现HA降解，而经PDS再生后CB的吸附和催化速率分别提高了2.4和3.2倍；循环利用4次后，CB仍保持有较高的吸附和催化活性。PDS再生丰富了CB表面的孔隙结构及活性位点，有效活化了CB，促进了HA在其表面的吸附，进而促进了催化过程。体系中碱性含氮和含氧官能团是吸附催化体系的有效活性位点，发挥降解作用的主导活性氧物种为SO₄ ^·-和¹O₂，吡啶氮和吡咯氮相比石墨氮在非自由基氧化去除HA体系中起到更有效的贡献。CB吸附耦合PDS再生能实现对HA的高效去除，且该方法成本低廉、简单可行，具有良好应用价值。

关键词: 生物炭, 过硫酸盐, 再生, 催化降解, 吸附, 腐殖酸

Abstract:

Biochar has a wide range of sources，low cost，and can activate persulfate to adsorb and catalyze the degradation of pollutants in water. However，the disadvantages of biochar，such as low adsorption and catalytic performance，poor recovery，and easy blockage of pores，restrict its popularization and application. A method of humic acid（HA） removal from water by coconut shell biochar（CB） adsorption coupled with persulfate（PDS） regeneration was proposed. The results showed that CB could degrade HA by adsorption or catalytic PDS，while the adsorption and catalytic rates of CB after PDS regeneration increased by 2.4 and 3.2 times respectively. After recycling for 4 times，CB still maintained high adsorption and catalytic activity. PDS regeneration enriched the pore structure and active site of CB surface，effectively activated CB，promoted the adsorption of HA on its surface，and then promoted the catalytic process. The basic nitrogen- and oxygen-containing functional groups in the system were the effective active sites in the adsorption and catalytic system，SO₄ ^·- and ¹O₂ were the dominant reactive oxygen species that played the role of degradation. Compared with graphite N，pyridine N and pyrrole N played a more effective contribution to the removal of HA by non-free radical oxidation. CB adsorption coupled PDS regeneration could achieve efficient removal of HA. This method was low cost，simple and feasible，and had good application value.

Key words: biochar, persulfate, regeneration, catalytic degradation, adsorption, humic acid

中图分类号:

X703

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https://www.iwt.cn/CN/Y2023/V43/I10/95

图/表 10

图1 CB和再生CB对HA的吸附及其催化性能

Fig. 1 Adsorption and catalytic performance of CB and regenerated CB on HA

图2 CBs的SEM

Fig. 2 SEM of CBs

表1 CBs中元素的原子数分数

Table 1 Atomic fractions of elements in CBs

样品	C/%	N/%	O/%	S/%
原CB	95.70±0.32	0.06±0.12	4.04±0.16	0.20±0.07
吸附饱和后CB	94.90±0.37	0.82±0.17	4.24±0.18	0.04±0.09
催化后CB	93.68±0.37	—	5.80±0.21	0.52±0.12
再生后CB	93.02±0.35	0.57±0.15	6.24±0.21	0.17±0.08

表2 CB和再生CB的比表面积参数

Table 2 Specific surface area parameters of CB and regenereted CB

项目	比表面积/（m²·g^-1）	微孔比表面积/（m²·g^-1）	微孔体积/（cm³·g^-1）	平均孔径/nm
原CB	748.083	627.311	0.248	2.011
PDS再生CB	775.976	664.658	0.262	1.949

图3 CBs的FT-IR谱图

Fig. 3 FT-IR spectrum of CBs

图4 CB和PDS再生CB的XPS分峰图注：Ols1表示酮、内酯、醌、羰基上的C—O；Ols2表示酯、酰胺、羧酸酐（O—C

̿

O）中的羰基氧原子和羟基或醚中的氧原子；Ols3表示羧基上的氧原子（O—C

̿

O）或化学吸附氧和吸收水；N1s1表示类吡啶氮；N1s2表示吡咯氮；N1s3表示石墨氮。

Fig. 4 XPS peak plots of CB and PDS regenerated CB

图4 CB和PDS再生CB的XPS分峰图注：Ols1表示酮、内酯、醌、羰基上的C—O；Ols2表示酯、酰胺、羧酸酐（O—C

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O）中的羰基氧原子和羟基或醚中的氧原子；Ols3表示羧基上的氧原子（O—C

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O）或化学吸附氧和吸收水；N1s1表示类吡啶氮；N1s2表示吡咯氮；N1s3表示石墨氮。

Fig. 4 XPS peak plots of CB and PDS regenerated CB

图5 CBs中化学官能团的比例

Fig. 5 Proportion of chemical functional groups in CBs

图6 不同猝灭剂对CB/PDS体系去除HA效果的影响

Fig. 6 Effect of different quenching agents on the removal of HA in CB/PDS system

图7 自由基及非自由基的EPR谱图

Fig. 7 EPR spectra of free and non-free radicals

图8 生物炭在水环境中的应用

Fig. 8 Application of biochar in water environment

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