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研究速递|不同生物炭环境友好新材料的吸附与催化作用机制
发布者: 金鹏康 | 2021-11-04 | 315

近日,团队在不同生物炭环境友好新材料的吸附与催化作用机制研究方面取得新进展,相关成果《Adsorption of micropollutants from wastewater using iron and nitrogen co-doped biochar: Performance, kinetics and mechanism studies》及《A new application pattern for sludge-derived biochar adsorbent: Ideal persulfate activator for the high-efficiency mineralization of pollutants》发表在环境领域著名期刊《Journal of Hazardous Materials》(IF= 10.588)。金鹏康教授为论文通讯作者,博士后许路、白雪分别为论文第一作者。

环境功能材料固碳利用新途径是污水处理与资源化创新团队、水循环与碳中和技术研究院的重点研究方向之一。922日,中共中央、国务院发布了《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》,以能源绿色低碳发展为关键,加快形成节约资源和保护环境的产业结构、生产方式等。在此背景下,以废弃生物质为原料制备环境友好的生物炭材料参与污废水的深度净化过程,也具有了更鲜明的实际意义。

铁氮共掺杂生物炭材料吸附废水中有机微污染物的性能、动力学和机理研究Adsorption of micropollutants from wastewater using iron and nitrogen co-doped biochar: Performance, kinetics and mechanism studies

针对目前常见吸附剂存在吸附能力弱、成本高、制备方法复杂等不足,本研究以木屑为原料,通过一步热解法制备出了一种吸附性能优异、成本低、制备简单的新型铁氮共掺杂生物炭材料(Fe/N-biochar),其对多种内分泌干扰物、药物等常见有机污染物的最大吸附容量远高于商用碳基吸附剂如活性炭和石墨烯等,表现出了优异的吸附性能。通过材料表征和吸附能力的相关性分析发现,有机污染物与Fe/N-biochar之间的 ππ 相互作用是强化吸附的主要驱动力。此外,在该吸附剂达到吸附平衡后可通过简单的热处理进行再生利用。

吸附性能测试:

1 A) 不同Fe含量及B)焙烧温度的Fe/N-biochar对双酚A吸附效果的影响;C) 不同碳基吸附剂对双酚A的吸附效果;DFe/N-biochar对不同微污染物的吸附效果。(污染物:10 mg/L;吸附剂:0.1 g/L。)

吸附实验结果表明,Fe/N-biochar的吸附性能与铁掺杂量和焙烧温度密切相关(Fig. 1A-B),过低或过高均会明显抑制该材料对污染物的吸附效果。在最佳制备条件下,Fe/N-biochar对双酚A的吸附量为54 mg/g,远高于biocharN-biocharFe-biochar等材料对双酚A的吸附容量(Fig. 1C)。此外,Fe/N-biochar对苯酚、对乙酰氨基酚、磺胺甲恶唑、布洛芬、卡马西平、四环素、萘普生钠以及环丙沙星等多种有机物的吸附容量也显著高于biocharN-biocharFig. 1D)。

吸附模型:

2  AFe/N-biochar对不同初始浓度双酚A的吸附效果;Fe/N-biochar对双酚AB)和C)吸附动力学分析;D)吸附等温线;E)和F)吸附过程LangmuirFreundlich模型拟合结果。(吸附剂:0.1 g/L

吸附动力学实验结果表明,Fe/N-biochar对双酚A的吸附过程更符合伪一阶动力学模型(Fig. 2A-C)以及Langmuir模型(Fig. 2D-F),说明该过程属于单层吸附且以化学吸附为主。基于拟合结果得到Fe/N-biochar对双酚A的最大理论吸附容量高达94.96 mg/g,相较biochar提高了6.05倍。

吸附机理:

3  AFe/N-biochar对双酚A的最大吸附量与sp2 C量的相关关系;B)吸附双酚A前后Fe/N-biochar的高分辨率XPS C 1s谱。

双酚A吸附量与Fe/N-biochar中的A)吡啶NB)吡咯NC)石墨N DFe-Nx含量的相关关系。

Fe/N-biochar的吸附机理。

通过对Fe/N-biochar的微观结构进行系统表征分析(包括石墨化程度、比表面积及表面化学成分分析等),建立了Fe/N-biochar对双酚A最大吸附容量与其结构特征之间的相关关系,最终明确了Fe/N-biochar对有机微污染物的高效吸附性归因于其与污染物之间较强的π-π电子供体-受体相互作用,且石墨NFe-Nx是促进其吸附性能提升的主要活性位点。

 

污泥生物炭吸附剂的利用新模式:理想的过硫酸盐活化剂实现污染物高效矿化

A new application pattern for sludge-derived biochar adsorbent: Ideal persulfate activator for the high-efficiency mineralization of pollutants

在污水处理领域,生物处理因其较高的性价比和稳定性成为应用范围最广的主流工艺。近年来,随着处理需求的不断扩大,污泥产生量也随之增大,2019年,我国城市污水处理厂干污泥产生量约为1232万吨。污泥的合理处置在如今的双碳目标背景下,成为亟需解决的一大问题。焚烧、填埋等传统的污泥处理方式能耗高、占地面积大,易造成二次污染。因此,经济且环境友好的污泥处置及再利用新方式值得关注。

基于上述研究背景,污水处理与资源化创新团队以西安市某污水处理厂脱水间污泥为原料,通过简单的ZnCl2造孔及高温焙烧过程,制得比表面积达451 m2/g的污泥生物炭,依托其良好的吸附效果,进一步引入过二硫酸盐(Persulfate, PS)构建高效的催化氧化体系,以极低的生物炭催化剂和氧化剂投加量在短时间内达到较高的污染物矿化率,实现污废水的快速净化。

预处理后的污泥颗粒经500 ℃高温焙烧(记作SBC-500)其石墨化程度显著提升,有利于快速电子传递。以100 mL 10 mg/L典型内分泌干扰物双酚A为模型污染物,在7 mg SBC-5000.5 mM PS的催化作用下,反应40 min后的污染物矿化率高达80%,过硫酸盐的实际活化率接近50%。该污泥生物炭/PS催化体系除了对单一污染物有良好去除效果,其较强的适应能力及较高的稳定性能够抵抗复杂水质的干扰,并对以印染废水和市政污水处理厂二级出水为代表的实际废水具有显著的净化效果。

1 a)无机阴离子和(b)腐殖酸对双酚ASBC-500/PS催化体系中降解效果的影响;不同污染物在有无PS存在条件下的(c)降解和(d)矿化效率。(污染物:100 mL 10 mg/L;催化剂:7 mgPS0.5 mM。)

2 有无PS存在条件下(a)市政二级出水和(b)印染废水在SBC-500催化体系中的三维荧光强度变化。(废水体积:100 mL;催化剂:50 mgPS3 mM。)

在催化过程中,污染物和过二硫酸盐以污泥生物炭为介质展开的电子传递过程是污染物降解的主要途径;此外,过二硫酸盐活化生成的·OHSO4·-·O2-1O2均参与了污染物降解过程。其中,污泥生物炭与过硫酸盐间形成的亚稳态复合物[SBC-PS*]是实现电子传递、促进过二硫酸盐分解的核心活性物质;污泥生物炭的结构缺陷、含氧官能团、所含少量过渡金属离子以及主体石墨碳结构均作为活性点位参与了过二硫酸盐活化及催化过程。

3 a)不同焙烧温度条件的污泥生物炭阻抗谱;(bSBC-500/PS催化体系的瞬态电流响应。

4  SBC-500/PS催化体系的(a)傅里叶红外和(b)拉曼光谱图;(cN2预饱和SBC-500/PS催化体系中双酚A的降解效率;(dN2预饱和SBC-500/PS催化体系和(e)不同焙烧温度的常规生物炭催化体系中TEMPO EPR信号强度。(双酚A100 mL 10 mg/L;催化剂:7 mgPS0.5 mMTEMP浓度:600 mM。)

5  SBC-500/PS催化体系的污染物降解机理。

结语:

生物炭是一种原料丰富、制备简单、绿色友好的多孔炭材料,在环境污染控制的应用中颇具潜力。未经改良的生物炭往往效果有限,通过巧妙设计与合成以低成本制备具有高吸附、强催化能力的复合生物炭材料能够为污废水的深度净化提供以废治废新思路,同时为我国双碳目标的实现添砖加瓦。

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.127606

文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389421013078