Fe-Mn/浒苔生物炭复合材料对Pb2+的吸附性能研究

摘要 利用浒苔作为生物质原材料，通过浸渍法和热解法将KMnO4和FeSO4负载到原材料浒苔，制备Fe-Mn/浒苔生物炭复合材料（Fe/Mn-BC），所制备的材料具有一定的磁性，用BET、SEM-EDS、XRD、FTIR、XPS等表征手段对Fe/Mn-BC进行表征分析，发现材料呈现出不规则的多孔结构，主要为2～20 nm的介孔，表面负载许多小颗粒的聚集体且含有丰富的含氧官能团，这些都有利于对重金属铅离子的吸附;然后采用ICP分析法分析Fe/Mn-BC对Pb2+的吸附速率、最大吸附量，其中，平衡吸附率最大可达到98.8%。通过研究其吸附等温线模型、吸附动力学模型、颗粒扩散模型，分析其对Pb2+的吸附机理，结果表明，其吸附过程更符合伪二阶动力学模型和Langmuir吸附等温线模型，Fe-Mn/浒苔生物炭复合材料对Pb2+的吸附是物理吸附和化学吸附的共同作用。

关键词 浒苔生物炭;Fe/Mn-BC;Pb2+吸附;吸附机理

中图分类号 X703文献标识码 A文章编号 0517-6611（2022）19-0081-08

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.19.020

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research on the Adsorption Performance of Fe-Mn/Enteromorpha Biochar Composites for Pb2+

WU Zhao-diHAN XiaoJI Li-li2 et al

（1.College of Food and Pharmacy， Zhejiang Ocean University， Zhoushan， Zhejiang 316022;2.National Marine Facilities Aquaculture Engineering Technology Research Center， Zhejiang Ocean University， Zhoushan， Zhejiang 316022）

Abstract Using Enteromorpha as biomass raw materials， KMnO4 and FeSO4 were loaded into Enteromorpha by impregnation and pyrolysis to prepare Fe-Mn/Enteromorpha biochar composites. The prepared materials had certain magnetic properties. The Fe-Mn/Enteromorpha biochar composites were characterized by BET， SEM-EDS， XRD， FTIR and XPS. It was found that the materials showed irregular porous structure， mainly 2-20 nm mesoporous structure， aggregates loaded with many small particles and rich oxygen-containing functional groups， which were beneficial to the adsorption of heavy metal lead ions. Then the ICP analysis method was used to analyze the adsorption rate and maximum adsorption capacity of Fe-Mn/Enteromorpha biochar composites for Pb2+， in which the equilibrium adsorption rate was up to 98.8%. The adsorption mechanism of Pb2+ was analyzed by studying its adsorption isotherm model， adsorption kinetics model and particle diffusion model. The results showed that the adsorption process was more consistent with the pseudo second-order kinetic model and Langmuir adsorption isotherm model. The adsorption of Pb2+ by Fe-Mn/Enteromorpha biochar composites was the combination of physical adsorption and chemical adsorption.

Key words Enteromorpha biochar;Fe/Mn-BC;Pb2+ adsorption;Adsorption mechanism

随着全球工业的发展，大量未经处理或处理不达标的工业废水被排入环境中。其中，水体重金属污染问题已经成为全球性的环境问题。受重金属污染的水体，不仅影响生态环境，而且威胁人类健康。当动植物吸收营养时，重金属也会沿着食物链进入体内，而重金属也不会在体内分解，最后，重金属通过食物链在人体中积累，影响人们的健康并威胁人们的生命[1]。常见的有毒重金属包括汞、砷、铬、镉、铅等。铅是最危险的重金属之一，铅化合物被称为代谢毒物和酶抑制剂[2]。铅进入人体后只有少部分能排出体外，其余大部分则会在体内沉积。当人体内的铅及其化合物超过一定标准时，会对造血功能、神经系统、心血管和肾脏系统等的发育造成严重危害[3]。因此，重金属废水的治理一直是国内外研究的热点。

目前，含铅废水的处理技术包括化学沉淀法、膜分离法、生物法、离子交换法、电化学法、吸附法[4]。其中，吸附法被认为是一种简单有效的低成本重金属处理技术。生物炭是生物质在缺氧或无氧条件下通过热裂解制备而成的富碳产物，比表面积较大，孔隙结构丰富，且表面富含多种活性基团，可作为一种优良的吸附剂[5]。近年来，生物炭在水体修复领域的研究已经引起广泛关注。Lee等[6]研究发现银杏叶生物炭对Pb（Ⅱ）的吸附表现出良好的吸附能力，最大吸附容量为138.9 mg/g。刘睿等[7]利用硫酸钙修饰污泥共同热解制备的生物炭在最佳吸附条件下对Pb2+的去除率可高达99.69%。Yang等[8]研究了浒苔生物炭对海水中重金属的吸附性能，结果发现，浒苔生物炭对Cu（Ⅱ）和Pb（Ⅱ）的最大去除率分别为91%和54%。因此，生物炭对重金属具有较高的去除效率，其机理主要包括表面络合作用、阳离子-π作用、静电吸引、阳离子交换及（共）沉淀等[9-10]。

原始生物炭对金属的吸附由于原材料的特性使其不易回收，应用有一定的局限性。磁性生物炭是一种负载磁性材料的生物炭复合材料，它既保留了生物炭的优良性能，又具有磁分离特性，实现了材料的高效回收和再利用。

该研究以大型海藻-浒苔为原料，利用Fe-Mn复合溶液浸渍制备浒苔生物炭复合材料（Fe/Mn-BC），并采用N2吸附-解吸等温线、SEM、EDS、FTIR、XRD、XPS等表征手段对Fe/Mn-BC的理化性能进行了表征;最后通过批量吸附试验、吸附动力学、粒子内扩散、吸附等温线试验探讨了Fe/Mn-BC对Pb2+的吸附性能和吸附机理，为生物炭在重金属废水治理领域的应用提供新思路。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试材。

试验所使用的浒苔产自我国山东青岛。七水合硫酸亚铁（FeSO4·7H2O）、高锰酸钾（KMnO4）、硝酸（HNO3）、氢氧化钠（NaOH）均为分析级，购自南京化学试剂有限公司。

1.1.2 仪器。真空管式炉（SKGL-1200，上海钜晶精密仪器制造有限公司）;静态容量吸附分析仪（BK122T-B，北京恒久科学仪器厂）;扫描电子显微镜（SEM，JSM-5600LV，日本JEOL）;能谱（EDS，IE300X，英国Oxford）;傅里叶红外光谱仪（FTIR，Nicolet Nexus 6700FTIR，美国尼高力公司）;X射线衍射仪（XRD，D/max2500，日本岛津）;X射线光电子能谱（XPS，PHI5000，美国Perkin-Elmer）;ICP分析仪（ICP-6800，上海美析仪器有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 浒苔生物炭及复合材料的制备。

1.2.1.1

浒苔生物炭的制备。称取5 g经过预处理后的浒苔再放入真空管式炉中，通入N2 0.5 h，热解温度为700 ℃，升温速率10 ℃/min，停留时间2 h，N2流量为0.25 L/min。自然降温至室温后将生物炭取出，制得的浒苔生物炭标记为BC700，作为对照组，放置于干燥器中保存。

1.2.1.2

Fe-Mn/浒苔生物炭复合材料。称取20 g浒苔，与200 mL浓度为0.08 mol/L的KMnO4溶液混合，在常温下超声混合2 h，然后静置24 h，让其达到稳定状态，将静置后的溶液进行抽滤，得到固体样品1;将固体样品1与200 mL浓度为0.25 mol/L的FeSO4溶液混合，在常温下超声混合2 h，然后静置24 h，让其达到稳定状态，将静置后的溶液进行抽滤，得到固体样品 将固体样品2于烘箱中55 ℃干燥12 h，备用。将干燥的固体样品2置于管式炉中N2气氛下进行热解，温度为700 ℃，保持2 h，升温速率为10 ℃/min，N2的流量为0.25 L/min。自然降温至室温后将材料取出，制得的浒苔生物炭复合材料标记为Fe/Mn-BC，放置于干燥器中保存。

1.2.2 浒苔生物炭及复合材料的表征。

在静态容量吸附分析仪上进行N2吸附/解吸等温线分析，并采用Brunauer-Emmett-Teller（BET）方法计算其比表面积及孔径分布。通过扫描电子显微镜和能谱分析材料的表面型号和元素组成。利用傅里叶红外光谱仪和X射线衍射仪对制备材料进行表面官能团和固体物相晶体结构的分析，利用X射线光电子能谱对表面化学组分及结合能进行分析。

1.2.3 浒苔生物炭复合材料对Pb2+吸附性能研究。

将一定量的浒苔生物炭复合材料加至一定初始浓度的Pb2+水溶液中，置于水浴恒温振荡器以180 r/min的频率振荡，使其充分接触反应4 h。反应后离心，取上清液，用ICP分析仪测定上清液中Pb2+的含量，并计算浒苔生物炭复合材料对Pb2+的吸附率和吸附容量。

为研究浒苔生物炭复合材料对Pb2+的吸附性能，选取吸附剂投加量（2、4、6、8、10、12、14、16、18、20 g）、溶液pH（2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5）、Pb2+溶液初始浓度（10、40、60、100、200、400 mg/g），分别在不同的反应条件下进行批量吸附试验。

Fe/Mn-BC对Pb2+的吸附率（Re）和吸附量（qt）公式如下：

Re=C0-CtC0×100%（1）

qt=C0-Ctm×V（2）

式中，Re为Fe/Mn-BC对Pb2+的吸附率（%）;C0和Ct是Pb2+初始浓度和与吸附剂接触对应时间的Pb2+浓度（mg/L）;m为所用Fe/Mn-BC吸附剂的质量（g）;V是所用Pb2+的体积（L）;qt为与吸附剂接触对应时间的吸附量（mg/g）。

1.2.4 浒苔生物炭复合材料对Pb2+吸附机理研究。