活性炭磁性復(fù)合材料回收鐵金屬離子

　　工業(yè)發(fā)展過程中產(chǎn)生的廢物含有大量重金屬，如鐵、鉛、鋅、鋁和銅，這些重金屬在pH<5時(shí)會(huì)迅速溶解。在低pH值下，Al、Mn和Fe等元素會(huì)產(chǎn)生重金屬污染。溶液中鐵含量(Fe)>1mg/L除了會(huì)造成環(huán)境破壞問題外，還被認(rèn)為對(duì)水生生物的生命構(gòu)成危險(xiǎn)。為了去除回收廢水中的鐵離子，我們開發(fā)了磁鐵礦改性的活性炭，在不同的pH值下用作Fe(II)的吸附劑活性炭磁性復(fù)合材料對(duì)Fe(II)的吸附動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，以確定合適的吸附時(shí)間。

　　磁性活性炭的合成

　　磁性活性炭的合成是通過將活性炭、Fe(II)和Fe(III)前體以w/n/n(1:1:2)的比例混合并添加H2O至體積150mL來進(jìn)行的。的混合物。然后將溶液在60℃下混合30分鐘。之后，逐漸添加10M/NaOH直至混合物的pH變?yōu)?0。達(dá)到pH10后，將懸浮液混合物攪拌60分鐘并靜置過夜。之后，使用外部磁鐵將形成的活性炭材料從溶液中分離并使用H2O和C2H5OH洗滌。將獲得的固體在50℃溫度的烘箱中干燥。碳化過程的目的是使用爐子在400℃的溫度下持續(xù)2.5小時(shí)獲取木炭。然后使用NaOH活化木炭并進(jìn)入下一階段(圖1)。經(jīng)過處理，205克原料產(chǎn)生了31.6克活性炭。在炭化過程中，發(fā)生了幾個(gè)變化，在烘烤過程中變黑并比之前稍干，在爐內(nèi)顏色變黑并干燥。

　　圖1：磁化活性炭制造方案。

　　復(fù)合磁性材料的磁性測(cè)量顯示出室溫下的超順磁性。圖2顯示了在24.8℃溫度下測(cè)量的活性炭磁鐵礦材料的磁滯回線的存在。磁性活性炭的飽和磁化強(qiáng)度(Ms)值為14.06emu/g。磁性復(fù)合材料合成通常會(huì)降低純磁性材料的飽和磁化強(qiáng)度(Ms)值。

　　圖2：24.8℃下活性炭磁鐵礦的VSM表征。

　　Fe(II)的吸附

　　將碳、活性炭和活性炭磁鐵礦依次放入每個(gè)瓶中，各1g，然后加入50/mL-100/ppm-Fe(II)溶液，pH為4。混合物以250rpm攪拌2、4、6、8、10、20、30、40、50和60分鐘。對(duì)pH=6和pH=10的混合物也進(jìn)行了相同的條件。

　　圖3顯示系統(tǒng)的pH值影響磁性活性炭對(duì)Fe(II)的吸附過程。酸性條件(酸性pH)導(dǎo)致Fe(II)的吸附減少。在酸性條件下，磁鐵礦結(jié)構(gòu)質(zhì)子化(正電荷)。考慮到Fe(II)物種以陽(yáng)離子離子的形式存在，溶液中的Fe(II)吸附過程將很困難。在pH6時(shí)，出現(xiàn)最佳的Fe(II)吸附。Fe(II)氫氧化物(Fe(OH)+)的形成有助于ACM吸附Fe(II)的過程。當(dāng)pH值為10時(shí)，會(huì)形成Fe(II)氧化物，從而沉淀并覆蓋磁性活性炭吸附劑的活性位點(diǎn)。因此，在pH值較高的情況下，磁性活性炭對(duì)Fe(II)的吸附會(huì)減少，盡管不如酸性條件下(pH4)那樣顯著。吸附時(shí)間的變化沒有顯示出顯著的顏色變化(圖3)。這可能是由于吸附容量相對(duì)較小，因此顏色變化差別不大(見圖3)。

　　圖3：使用1.0g磁性活性炭吸附50mLFe(II)100ppm，并在28℃下改變吸附時(shí)間和pH值。

　　由圖4可知，在不同吸附溶液pH下，活性炭對(duì)Fe(II)的吸附過程并未影響活性炭的材料結(jié)構(gòu)。吸附過程之后的活性炭結(jié)構(gòu)仍然顯示出用于吸附過程之前的活性炭結(jié)構(gòu)。可以假設(shè)活性炭的活性位點(diǎn)仍然保留，可用于進(jìn)一步的Fe(II)吸附過程。吸附系統(tǒng)的酸度不會(huì)影響活性炭中現(xiàn)有的鍵結(jié)構(gòu)，吸附過程后沒有發(fā)現(xiàn)新的鍵振動(dòng)、鍵振動(dòng)損失或鍵振動(dòng)位移。它還可以補(bǔ)充這樣的結(jié)論：不同pH系統(tǒng)下的吸附過程不會(huì)影響吸附劑的結(jié)構(gòu)。因此，要確定活性炭的吸附活性是否仍與之前相同，有必要通過再生吸附劑對(duì)溶液中Fe(II)的吸附進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

　　圖4：活性炭磁鐵礦復(fù)合材料的X射線衍射圖(a)磁性活性炭吸附前、吸附后(b)pH4、(c)pH6和(d)pH10。

　　活性炭磁性復(fù)合材料回收鐵金屬離子，經(jīng)過NaOH活化處理后，活性炭的熱穩(wěn)定性有所提高。與用NaOH活化之前的碳相比，活性炭在達(dá)到200℃以上的溫度時(shí)相對(duì)穩(wěn)定。磁鐵礦改性的活性炭的飽和磁化強(qiáng)度值(Ms)為14.06emu/g，是一種超順磁性材料。活性炭磁鐵礦生物吸附劑對(duì)鐵金屬離子吸附的有效性溶液中的吸附量受吸附系統(tǒng)酸度的影響。最佳吸附條件為pH6，10分鐘后相對(duì)穩(wěn)定。

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