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镧改性生物炭对砷、镉的吸附特征研究

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镧改性生物炭对砷、镉的吸附特征研究

摘要：镧改性生物炭作为一种新型吸附材料，在去除水体中的砷和镉污染物方面具有显著的应用潜力。本研究通过水热法制备镧改性生物炭，并对其结构、形貌和表面官能团进行了表征。结果表明，镧改性生物炭具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，对砷和镉具有较强的吸附能力。通过吸附等温线和吸附动力学研究，确定了镧改性生物炭对砷和镉的吸附机理，并探讨了pH值、吸附时间和温度等因素对吸附性能的影响。本研究为镧改性生物炭在砷和镉污染物治理中的应用提供了理论依据和实验数据支持。

随着工业化和城市化的快速发展，水体中的重金属污染物问题日益严重。砷和镉作为常见的重金属污染物，具有高毒性、难降解和生物累积性等特点，对人类健康和生态环境构成严重威胁。生物炭作为一种环境友好型吸附材料，在去除水体中的重金属污染物方面具有广阔的应用前景。近年来，通过改性方法提高生物炭的吸附性能已成为研究热点。镧作为一种具有良好吸附性能的金属元素，本研究将镧改性生物炭应用于砷和镉的吸附研究，旨在为重金属污染物的治理提供新的思路和方法。

一、1.材料与方法

1.1实验材料

(1)本实验所用的主要材料包括市售活性炭、无水乙醇、氯化镧、硝酸、氢氧化钠、砷酸钠、镉硫酸盐等。活性炭作为基础材料，其纯度和质量对实验结果至关重要，本实验选取了比表面积为1000m2/g，孔径分布均匀的活性炭。无水乙醇用于清洗和溶解试剂，要求无水乙醇的纯度不低于99.8%。氯化镧、硝酸、氢氧化钠等化学试剂均为分析纯，砷酸钠和镉硫酸盐均为优级纯。在实验过程中，所有试剂均按照国家标准进行严格的质量控制。

(2)实验过程中使用的仪器设备包括电热鼓风干燥箱、电子天平、恒温恒湿箱、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）、比表面积及孔径分析仪等。这些仪器设备能够对生物炭的结构、形貌、表面官能团等进行详细的分析和表征。其中，电子天平的精度达到0.0001g，能够满足实验对质量测量的要求；SEM能够观察到生物炭的微观形貌，为后续的改性研究提供直观的依据；XRD和FTIR用于分析生物炭的晶体结构和表面官能团，为理解吸附机理提供依据。

(3)在实验过程中，活性炭的预处理和改性是关键步骤。预处理包括活性炭的活化、酸洗和碱洗等过程，通过这些预处理步骤可以提高活性炭的比表面积和孔隙结构，从而提高其吸附性能。在本实验中，活性炭的活化采用磷酸活化法，活化温度为800℃，活化时间为2小时；酸洗和碱洗采用1mol/L的硝酸和氢氧化钠溶液，酸洗和碱洗时间均为2小时。预处理后的活性炭经过充分洗涤和干燥，得到镧改性生物炭。通过对比改性前后的活性炭，发现镧改性生物炭的比表面积从1000m2/g增加到了1500m2/g，孔隙结构也得到了优化。

1.2生物炭的制备与表征

(1)生物炭的制备采用水热法制备，该法具有操作简便、成本低廉、产率高、活性炭性能稳定等优点。实验中，将一定量的活性炭与氯化镧溶液混合，加入去离子水，搅拌均匀后，将混合液转移至高压反应釜中。在120℃下反应6小时，冷却至室温后，将产物过滤、洗涤、干燥，得到镧改性生物炭。通过对比改性前后的活性炭，发现镧改性生物炭的比表面积从1000m2/g增加到了1500m2/g，孔隙结构也得到了优化。

(2)制备得到的镧改性生物炭经过扫描电子显微镜（SEM）观察，发现其形貌呈不规则的多孔结构，孔隙分布均匀。SEM图像显示，改性后的生物炭表面具有大量的微孔和介孔，有利于提高吸附性能。此外，通过X射线衍射（XRD）分析，发现镧改性生物炭具有明显的晶格结构，说明镧元素成功负载到生物炭上。

(3)为了进一步了解镧改性生物炭的表面官能团，采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）对其进行表征。FTIR谱图显示，镧改性生物炭在3425cm?1处出现宽峰，归属为O-H伸缩振动，说明生物炭表面存在羟基；在1640cm?1处出现强峰，归属为C=O伸缩振动，表明生物炭表面存在羰基；在1390cm?1处出现峰，归属为C-O伸缩振动，说明生物炭表面存在羧基。这些官能团的存在有利于吸附砷和镉等重金属污染物。

1.3吸附实验

(1)吸附实验采用静态吸附法，将镧改性生物炭与一定浓度的砷和镉溶液混合，在恒温恒湿条件下进行吸附实验。实验中，溶液初始浓度为50mg/L，pH值为7，吸附时间为24小时。根据吸附前后溶液中砷和镉的浓度变化，计算吸附率。结果显示，镧改性生物炭对砷的吸附率为90%，对镉的吸附率为85%。这一吸附率与活性炭相比