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量顯示出室溫下的超順磁性。圖2顯示了在24.8℃溫度下測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分鐘后相對穩(wěn)定。

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