介孔污泥生物炭去除罗丹明B的性能研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-1133

工业水处理 ›› 2024, Vol. 44 ›› Issue (12): 94-103. doi: 10.19965/j.cnki.iwt.2023-1133

介孔污泥生物炭去除罗丹明B的性能研究

熊瑜婷¹^,²(), 罗才贵¹^,²^,³, 唐学昆¹^,²^,³, 罗仙平¹^,²^,³^,⁴()

^1. 江西理工大学矿冶环境污染防控江西省重点实验室，江西赣州 341000
^2. 江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州 341000
^3. 江西理工大学钨资源高效开发及应用教育部工程研究中心，江西赣州 341000
^4. 东华理工大学，江西南昌 330000

收稿日期:2024-10-21 出版日期:2024-12-20 发布日期:2024-12-24
作者简介:
熊瑜婷（1999— ），硕士研究生。电话：18370437472，E-mail：2223441557@qq.com
罗仙平，博士，教授。电话：15979788377，E-mail：luoxianping9491@163.com。
基金资助:
江西省技术创新引导类计划项目(20192AEI91003); 江西省研究生创新专项资金项目(XY2022-S020); 江西理工大学高层次人才科研启动项目(205200100593); 江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ2200823); 江西理工大学博士科研启动基金项目(205200100645)

Study on the performance of mesoporous sludge biochar for the removal of Rhodamine B

Yuting XIONG¹^,²(), Caigui LUO¹^,²^,³, Xuekun TANG¹^,²^,³, Xianping LUO¹^,²^,³^,⁴()

^1. Jiangxi Provincial Key Laboratory of Environmental Pollution Prevention and Control in Mining and Metallurgy, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China
^2. College of Resources and Environmental Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China
^3. Engineering Research Center for Efficient Development and Application of Tungsten Resources, Ministry of Education, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China
^4. East China University of Technology, Nanchang 330000, China

Received:2024-10-21 Online:2024-12-20 Published:2024-12-24

摘要/Abstract

摘要：

以市政污泥为原料，ZnCl₂为活化剂，通过浸渍-热解法制备改性污泥生物炭（ASBC），通过构建ASBC/过一硫酸氢钾（PMS）体系并用于降解罗丹明B（RhB），探究ASBC投加量、PMS浓度、反应pH和共存无机阴离子等反应条件对ASBC/PMS体系降解RhB的影响。BET结果表明，经过活化后的生物炭的比表面积从8.19 m²/g提高至175.04 m²/g，孔容从0.017 cm³/g提高至0.189 cm³/g，活化后的污泥生物炭具备更多的反应活性位点；当ASBC投加量为0.2 g/L、PMS浓度为0.8 mmol/L，反应5 min后对RhB的去除率高达99.7%，反应可在较宽的pH范围（3~11）内发挥作用；H₂PO₄ ^-和NO₃ ^-对ASBC/PMS体系降解效果无显著影响，HCO₃ ^-具有抑制作用，Cl^-具有促进作用；ASBC/PMS体系降解RhB是非自由基路径，主要活性物质是¹O₂。

关键词: ZnCl₂改性, 污泥生物炭, 过一硫酸盐, 罗丹明B, 非自由基

Abstract:

In this study, modified sludge biochar(ASBC) was prepared by impregnation-pyrolysis method with municipal sludge as raw material and ZnCl₂ as activator. ASBC/Peroxymonosulfate(PMS) system was constructed and used to degrade Rhodamine B(RhB). The effects of ASBC dosage, PMS concentration, reaction pH, and co-existing inorganic anions on the degradation of RhB in ASBC/PMS system were investigated. BET results showed that the specific surface area of activated biochar increased from 8.19 m²/g to 175.04 m²/g, pore volume increased from 0.017 cm³/g to 0.189 cm³/g, and activated sludge biochar had more active sites. When the dosage of ASBC was 0.2 g/L and the concentration of PMS was 0.8 mmol/L, the removal rate of RhB was as high as 99.7% after 5 min reaction, and the reaction could work in a wide pH range(3-11). H₂PO₄ ^- and NO₃ ^- had no significant effect on the degradation of ASBC/PMS system, HCO₃ ^- had inhibitory effect and Cl^- had promotional effect. RhB degradation by ASBC/PMS system was a non-radical pathway with ¹O₂as the main active substance.

Key words: modification of ZnCl₂, sludge biochar, peroxymonosulfate, rhodamine B, non-radical

中图分类号:

X703.1

熊瑜婷, 罗才贵, 唐学昆, 罗仙平. 介孔污泥生物炭去除罗丹明B的性能研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(12): 94-103.

Yuting XIONG, Caigui LUO, Xuekun TANG, Xianping LUO. Study on the performance of mesoporous sludge biochar for the removal of Rhodamine B[J]. Industrial Water Treatment, 2024, 44(12): 94-103.

https://www.iwt.cn/CN/Y2024/V44/I12/94

图/表 13

图1 SBC和ASBC-1的SEM

Fig.1 SEM images of SBC and ASBC-1

图2 污泥生物炭的N₂吸附/脱附曲线（a）和孔径分布（b）

Fig.2 N₂ adsorption/desorption curves（a） of sludge biochar and pore size distribution （b）

表1 污泥生物炭孔结构数据

Table 1 Data of sludge biochar pore structure

样品	比表面积/（m²·g^-1）	微孔面积/ （m²·g^-1）	总孔容/ （cm³·g^-1）	平均孔径/nm
SBC	8.19	2.46	0.017	8.52
ASBC-0.2	131.69	87.01	0.105	3.18
ASBC-1	175.04	29.84	0.189	4.31
ASBC-2.5	131.32	18.67	0.133	4.04

图3 4种生物炭的XRD（a）和FTIR（b）

Fig.3 XRD（a） and FTIR（b） of four kinds of biochar

图4 ASBC反应前后的XPS谱图（a）ASBC反应前后全谱；（b）SBC和ASBC全谱；（c）ASBC反应前后C 1s；（d）ASBC反应前后N 1s；（e）ASBC反应前后O 1s。

Fig.4 XPS spectra of ASBC before and after the reaction

表2 SBC及反应前后ASBC中的元素原子数分数

Table 2 Elements content in SBC and ASBC before and after reaction

样品	原子数分数/%
样品	C	O	N	Si	Zn
SBC	46.22	38.97	2.88	11.85	0.09
ASBC反应前	56.3	27.94	5.88	8.64	1.23
ASBC反应后	56.28	28.7	7.71	6.63	0.68

图5 不同体系降解罗丹明B的性能（a）及对应拟一级反应动力学（b）

Fig.5 Kinetics of degradation of Rhodamine B（a） and corresponding pseudo-first-order reaction kinetics（b） in different systems

图6 ASBC投加量对ASBC/PMS体系降解RhB的影响（a）及对应拟一级反应动力学（b） kinetics in different systems（b）

Fig.6 Effect of ASBC dosage on RhB degradation in ASBC/PMS system（a） and corresponding pseudo-first-order reaction

图7 PMS投加量对ASBC/PMS体系降解RhB的影响（a）及对应拟一级反应动力学（b）

Fig.7 Effect of PMS dosage on RhB degradation in ASBC/PMS system（a） and corresponding pseudo-first-order reaction kinetics in different systems（b）

图8 初始pH对ASBC/PMS体系降解RhB的影响（a）及对应拟一级反应动力学（b）

Fig.8 Effect of initial pH on RhB degradation in ASBC/PMS system（a） and corresponding pseudo-first-order reaction kinetics in different systems（b）

图9 无机阴离子对ASBC/PMS体系降解RhB的影响（a）及对应拟一级反应动力学（b）

Fig.9 Effect of inorganic anions on RhB degradation in ASBC/PMS system（a） and corresponding pseudo-first-order reaction kinetics in different systems（b）

图10 ASBC/PMS体系的ESR光谱

Fig.10 ESR spectra of ASBC/PMS system

图11 RhB在不同猝灭剂体系下的降解

Fig.11 Degradation of RhB in different quencher systems

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