吸附和动力学研究Mg2 +从废水使用基于稻壳的磁生物炭

文摘

上的吸附等温线和动力学研究删除Mg2 +金属离子利用稻壳基于磁生物炭进行了。批处理模式的分析实验研究pH值的实验参数,吸附剂用量、搅拌速度和接触时间。雷竞技网页版从统计分析,知道的最高去除Mg2 +在pH值4,吸附剂用量为0.5 g,搅拌速度150 rpm和接触时间180分钟。雷竞技网页版初始浓度为0.2 mg / l, Mg2 +使用磁稻壳的去除效率为95%,最大吸附容量是39.52(毫克/克)。吸附等温线都描述了朗缪尔和弗伦德里希模型和吸附动力学服从pseudo-second秩序。

关键字

磁性生物炭;镁;重金属;吸附;动力学数据

介绍

如今,上有重大关切基于水资源环境问题面临的所有生物。排放的污染物进入水资源如河流或大海是经常发生在受污染的网站。这些污染物主要由重金属是众所周知的是有毒,致癌,甚至可能对生物体构成巨大威胁和长期高剂量暴露。重金属元素基本上是在地面或水资源的原子量63.5至200.6,比重超过5或密度超过每立方米5克(1,2]。一些重金属的例子有锌、铅、镉、铬、镁、铜和其他许多人。其中的一些元素在这个类别列出更详细表1。这些金属是重要的要删除从水资源的威胁生物体和公共卫生可以最小化。为了消除这些重金属,需要引入一个合适的处理工艺,可以满足在每一个可能的方面,从它的去除效率过程成本(3]。一些常见的方法,他们使用全球去除重金属离子交换、电解、降水、膜分离、溶剂萃取、反渗透(RO)和coagulation-flocculation [4- - - - - -9]。然而,这些方法有自己的优点和局限性。这些过程还演示等明显缺点,它经历了删除不完整,有毒污泥产量和高能源需求。

表1。制程标准最有害重金属。

吸附技术被证明是一个有吸引力的和有效的方法去除重金属。这是因为吸附技术突出于其他技术通过操作和维护成本低,消耗更少的能量,过程时间短,小代的有毒污泥和最重要的是清除效率高10]。一些常见的吸附剂用于碳纳米管吸附技术、树脂、活性炭、硅胶最近,磁性生物炭(11]。激活碳被广泛使用在吸收过程中,因为他们的高能力,合理的成本和其有效性。然而,据研究,活性炭仍被视为是一个高成本的吸水性和变得更昂贵的活性炭的质量增加(10]。因此,这使得搜索的另一种廉价而有效的吸附剂。

生物炭是biocoal或木炭是多孔和细粒度的盆栽土壤物质具有相同的形式是与铁溶液混合产生的影响下最高温度条件和使用有机废物氧限制条件。近年,生物炭已收到大要求大规模土壤改性来提高作物产量,土壤的肥力和营养保存。生物炭,基本上,孔隙度高水平和广泛的表面积相对结构化碳矩阵。这证明生物炭可以作为吸收剂,活性炭的类似的方面起着重要作用的控制环境中的污染物(11]。

一些农业废物或有机废物派生的生物炭吸附有机污染物是木材或树皮,肉用鸡垃圾、稻壳、松木、玉米秸秆、椰子壳、牛粪、大象草和许多更多。这些农业废物广泛可用作为廉价原料生产生物炭。然而,生物炭粉被证明是很难从水溶液中分离出来。因此,磁介质通过化学共沉淀是一种有效的方法,使吸附剂有效被磁分离技术分离。此外,联合磁介质有可能添加的功能大部分磁吸着剂(12]。

本研究的目的是产生一个具有成本效益和高效率吸收剂来去除重金属。在这项研究中,磁生物炭是由米糠皮提供一个潜在的廉价替代前体和也排除废物处理(2]。在这个研究中,统计优化Mg的去除^{2 +}从溶液中磁性生物炭的使用。每个进程参数pH值的影响,吸附剂用量、搅拌速度和接触时间的毫克雷竞技网页版^{2 +}研究了使用磁生物炭。平衡动力学和等温线模型方程的毫克^{2 +}也被调查。

材料和方法

制备磁性生物炭

干生物质粉碎,已筛的颗粒大小小于150μm。当时浸渍重量在0.5到1.15的比率(激活剂/干生物量),4 h在室温和干在100°C和存储在干燥器中。进行了生物质热解的烤箱HAMiab-C1500微波抑制系统。20克的准备样本放置在石英管(35 mm OD 38毫米ID和500毫米长度)。最佳热解参数、功率= 800 W,照射时间= 30分钟和氮气流= 0.2毫升/分钟。反应样品冷却到室温后,最后重量来确定产品的产量。产品是用蒸馏水洗净,直到成为中性pH值。最后样本存储在严格封闭的瓶子。

毫克的准备^{2 +}股票的解决方案

镁的解决方案是使用来自默克股票的解决方案做好准备。分析级是用来准备股票的解决方案从1000 mg / L的镁金属的离子与蒸馏水使用容量瓶进一步稀释所需浓度。对于这个研究,Mg的初始浓度^{2 +}金属离子被设置为0.20 mg / L和准备的解决方案是用于批量吸附实验。

8.0实验设计使用设计专家

8.0设计专家基本上是软件设计优化过程和产品的增长。换句话说,它是为了帮助一个多因素实验的理解。8.0在本研究中,设计专家来设计批量吸附实验通过改变pH值、吸附剂用量、接触时间和搅拌速度的优化条件。雷竞技网页版各种变量的参数用于这项研究,包括吸附剂的用量从0.1到0.5 g, pH值的吸附剂从4到8,搅拌速度从120转到150转,室温搅拌时间从120分钟到180分钟。

批量吸附实验

一批吸附实验是由使用125毫升2.0 mg / L(毫克^{2 +}激动与不同剂量的磁生物炭和其他变量参数的设计从设计专家(DOE)。毫克的初始和最终浓度^{2 +}股票是决定使用原子光谱仪(分析师PerkinElmer 400)。搅拌过程发生后,然后继续过滤过程测试前的最终浓度。各种运行的实验设计与不同参数所示表2。

表2。实验设计为镁使用设计专家软件。

磁性生物炭的吸附能力在时间t决心利用方程(1)的吸附平衡毫克^{2 +}计算是基于方程(2)

问_t(毫克/ g) = ((C_o- c_t)V] / m (1)

问_e(毫克/ g) = ((C_o- c_e)V] / m (2)

其中C_o代表Mg的初始浓度^{2 +}解决方案(毫克/升),qt代表mg的浓度^{2 +}在时间t(毫克/克),量化宽松政策代表了mg^{2 +}在均衡吸收,C_e代表Mg的平衡浓度^{2 +}(毫克/升)分别;V代表Mg的体积^{2 +}股票的解决方案(L)和m表示所使用的吸附剂(g)的重量。

表征磁生物炭

磁性生物炭的物理结构和形态研究的场发射扫描电子显微镜(FESEM)技术。傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪用于研究磁生物炭的表面化学。元素分析(碳、氢、氮、硫值),研究了利用元素分析仪、(模型:TRUSPEC中文微)。氧含量的计算公式,100 - (C % + H % + S % + N % +灰%)

结果与讨论

红外光谱的表征图像磁生物炭

傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪((力量,IFS66v / S)是用于分析测定磁生物炭表面的官能团。除了孔隙度、磁生物炭的吸附行为也受到表面的化学反应特别是化学吸附氧的形式在各种形式的官能团。表面氧化物有酸性以及基本性质。前后的磁生物炭吸附重金属的成功研究使用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)(力量,IFS66v / S)。图1之前显示的红外光谱谱吸附吸附后(a)和(b)。乐队位于3714 - 341厘米¹与h组,而乐队2361分组为C≡C的炔烃的振动C≡N归结在强度1995厘米吗¹。透光率在1652 - 1498厘米¹类似于地(羟基)集团和CH2 C-O-C(醚、酯和酚)功能显示强化峰值在1425和1276厘米吗¹。透光率在1652 - 1497厘米¹类似于地(羟基)集团和吸收峰的1557厘米吗¹建议芳香的发生与碳碳拉伸(酯和酚)而峰观察到1071厘米¹表示两组的存在。另一方面,观察到的峰值为668厘米¹揭示了炔烃与碳氢键混合。这些良好的协议与先前的研究结果13,14]。

描述对磁性生物炭

场发射扫描电镜(FESEM)基本上是一个技术用于获取高分辨率的三维图像,它被用来观察表面物理形态在不同放大尺度的磁生物炭所示图2。通过这些图片,这是创建得知孔隙度在化学激活×N₂天然气作为氧化剂代理扩散通过碳碳的杂质去除和消费。微孔隙表面上倾向于开放,创建大型表面毛孔和多孔结构。这使井身结构磁生物炭有利于高吸附容量的吸附毫克^{2 +}金属离子。磁性生物炭所示的属性表3。

表3。对磁性生物炭。

统计分析的清除镁、镁^{2 +}

批实验使用的设计专家软件用来设计批量吸附实验通过改变pH值,吸附剂用量、接触时间和搅拌速度的优化条件。雷竞技网页版表4方差分析的结果说明了使用磁生物炭作为吸附剂去除的毫克^{2 +}。费舍尔野生价值和p值的低概率模型验证的重要值分析。通常,费舍尔F以及均方值表示的退化模型比较残差的均方误差,而p值(低概率)是重要的回归模型显示更高的意义。

表4。方差分析(方差分析)切除Mg2 +使用磁性生物炭。

该模型F以及价值重大的价值经方差分析是20.23。曲率英国《金融时报》获得的价值是2.97,这意味着模型是重要的曲率中心的区别平均点和平均的阶乘设计模型。相关系数R值²_邻接的是0.9964而调整决定系数R²是0.9472,这意味着模型具有重要意义。从获得的方差分析,模型设计是重要的平方的总和值1370858。回归模型的残余镁(毫克/升)的编码因素是由以下方程:

删除%编码因素

删除% ofMg^{2 +}c b -8.05 = 78.59 + 3.09 + 1.31 + 1.46 - -1.18 ab - 0.75 - ac - 0.85 -公元前广告+ 0.74 - 0.86 - 0.96 bd + cd acd - 0.74 - 0.75 - abc - 0.93

基于方程由编码因素,p代表^H,B是剂量和C是吸附剂的接触时间单因素系数代表了特定的因素而两雷竞技网页版因素的影响系数代表两个因素之间的交互作用。的积极信号方程描述了协同效应和负号代表拮抗效应。

移除Mg的三维图^{2 +}从水溶液中演示了使用磁生物炭图3 (a - c)。这些情节都是确定删除重金属毫克比例之间的关系^{2 +}离子的优化条件。p之间的相互作用^H吸附剂用量和策划图3(一个)。根据情节,Mg^{2 +}离子增加随着剂量的增加而减少时,p^H增加。在另一个词去除效率成正比吸附剂用量和逆比例p^H价值。与此同时p^H也是一个重要的参数,因为它表现出高去除低p^H生物炭。图3 (b)显示了接触时间和p之间的交互雷竞技网页版^H价值。获得了最佳的去除百分比在长时间接触和低p雷竞技网页版^H价值。最后分析完成,表示接触时间和吸附剂用量的去除率最高比例是获得更长的接触时间和较高的吸附剂雷竞技网页版用量。基于这些图3 (c),可以得出的结论是,随着接触时间和吸附剂用量的增加,清除比例增加,但雷竞技网页版低p^H价值。

图4显示了残余镁的理论值与实验值。这些预测去除百分比值和实际值从设计专家获得软件。显然表明,获得的理论值非常接近实验值,表明该模型是成功的在弥合残余镁过程变量之间的相关性。模型的质量评估是基于相关系数值的相关系数是0.95以上的情节。模型方程提出了高R²0.9965统计显示,99.65%的残余镁的变化可以解释为独立变量如吸附剂用量、接触时间、搅拌速度和p雷竞技网页版^H价值。获得的热阻相对较高,表明是一个很好的协议从模型实验和理论价值。模型还表明,R²在与R调整合理的协议²值为0.9472。根据这些标准,最好的模式可以被识别。统计分析了几个比较解决方案的最佳条件最好由磁生物炭吸附镁。软件作为第一选择的最佳条件选择吸附剂用量为0.5 g, 3个小时的接触时间,搅拌速度150 rpm, pH值为4。雷竞技网页版这些最优条件用于测定的吸附等温线和动力学研究粒子吸附容量限制(qm)以及实验室规模模型操作。

吸附动力学和吸附等温线的研究

为了确定Mg的优化条件^{2 +},分析研究了磁性生物炭通过动力学和等温式研究。4显示的pH值去除效率最高,这被选中进行动力学研究。保持不变的参数是吸附剂用量、搅拌速度和溶液体积。20分钟的间隔,前两个小时,样品被分析。然后,随后3^{理查德·道金斯}小时5^th24小时小时最后结束时被记录。从图5,可以看出吸附增加,直到达到120分钟。在那之后,浓度是常数。这表明,磁生物炭在120分钟达到平衡。接触时间的进一步增加导致班轮观察趋势。雷竞技网页版

朗缪尔和弗伦德里希方程在吸附等温线和动力学研究中是很重要的。两种模型都应用在目前的研究。朗缪尔方程用于与固相吸附物浓度(q_e)和平衡溶液浓度(C_e)的毫克^{2 +}从批处理吸附方程(3)所示。

(3)

其中C_e(g / L)和量化宽松政策是unadsorbed毫克^{2 +}浓度溶液中的平衡和吸附毫克的量^{2 +}浓度每单位重量的吸附剂,K_l平衡常数或朗缪尔常数相关的亲和力结合位点(L /毫克)和qm代表粒子吸附容量限制,当表面完全覆盖着mg吗^{2 +}吸附性能比较和支持。K_l和问_米的斜率和截距的C_e/ q_e与C_e图。

图6代表了对线性化朗缪尔吸附等温式模型和磁生物炭。基于绘制图可以观察到的数据适合朗缪尔等温线方程获得相关系数R²是0.9971。K_l和qm值计算用图的斜率和截距与前面描述的朗缪尔方程。K_l和问_米生物炭值获得的4.77 L / mg和39.52毫克/克。

使用弗伦德里希等温线模型进一步分析。等温线的方程推导为线性形式,以计算K_F和n值。弗常数和恒定值,描述了吸附质和吸附剂之间的关系的重要性。K_F和n值的斜率和截距计算的线性情节ln问_e与ln C_e。与此同时,相关因素,R²得到0.998,显示了弗伦德里希等温线模型都是有利的。表5显示了朗缪尔和弗伦德里希同时计算值图6和7显示了线性化朗缪尔和弗伦德里希模型。

表5:朗缪尔和弗伦德里希常数。

朗缪尔和弗伦德里希方程是为了联系unadsorbed金属离子毫克^{2 +}与平衡吸附容量如下方程所示。

开发了朗缪尔方程:

(4)

弗伦德里希方程:

(5)

有几个可用的动力学模型,研究吸附过程的机制。测试的两种动力学模型符合实验数据准一秩序和pseudo-second阶方程(15,16]。这项研究是由磁生物炭与三个不同的p^H的p值^H4、6.5和8。据说这是一个成功的固定反应的动力学描述的染料吸附剂。准一阶方程给出:

(6)

问在哪里_e和问_t的吸附容量分别为平衡和在时间t在毫克/克K₁是伪一级吸附速率常数的最小值¹。从一个块日志(问_e——问_t)与t, q_e和K₁从它的斜率和截距可以确定。

pseudo-second阶方程给出:

(7)

在哪里问_e和问_t的吸附容量分别为平衡和在时间t在毫克/克K₁是伪一级反应的速率常数g / mg.h吸附。

动力学常数的线性回归得到的所示图7pseudo-second订单模型和中列出表6。符合一级动力学模型的图像日志(问_e——问_t)与t是策划。情节表明它没有产生一条直线,因此没有产生适当的收敛。因此,这显然证明了实验不遵循符合一级动力学模型。同时pseudo-second-order吸附,(t / q的图_e)与时间,所有数据显然是聚合。情节安装在直线高R²相关系数超过0.95的价值。

表6所示。Pseudo-second-order动力学参数。

它可以得出结论,实验值接近pseudo-second-order的平衡吸附模型。随着pH值的增加,k的值₂和问_e减少和计算q_e给了一个一致的数据与实验数据。这表明Mg的吸附^{2 +}利用吸附剂听从pseudo-second-order动力学模型。

结论

农业废物的使用可以利用好,在行业作为有益的产品。统计分析显示,Mg的去除率最高^{2 +}在p^H4、吸附剂用量为0.5 g,搅拌速度150 rpm和接触时间180分钟。雷竞技网页版

最大的吸附是39.52(毫克/克)测量的95%。分析表明,除最高毫克^{2 +}去除效率的95%。它由吸附剂用量的0.5 g,搅拌速度150 rpm,接触时间3小时,p雷竞技网页版^H值为4。从获得的结果,可以得出结论,实验后朗缪尔和弗伦德里希等温线。整体,利用农业废弃物稻壳等基础原材料可以帮助农业废弃物创造更丰富的潜在应用。

承认

作者感谢UCSI大学集群融资环境和可持续工程项目代码项目-在fetbe - 015。作者感谢马来亚大学的当局对其分析下中国高等教育高影响的研究(UM.C / HIR /邻蒙古/ ENG / 20)。

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