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昆明理工大學(xué)環(huán)境低碳治理技術(shù)團(tuán)隊JML|改性赤泥基材料去除廢水中有機(jī)染料污染:應(yīng)用、機(jī)理及展望

 江西擬態(tài)王格 2024-06-15 發(fā)布于江西

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文章信息

第一作者:方威,周越

通訊作者:李彬 教授,劉澤偉 校聘副教授

通訊單位:昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

https:///10.1016/j.molliq.2024.125171

亮點

· 改性赤泥基材料可用于去除染料廢水。
· 本文綜述了從廢水中去除染料的四種機(jī)理

· 指出了基于赤泥基改性材料去除染料廢水的未來研究方向。

成果簡介

近期,昆明理工大學(xué)環(huán)境污染低碳化治理課題組在Journal of Molecular Liquids(中科院2區(qū)TOP,IF=6)上發(fā)表了題目為“A review on modified red mud-based materials in removing organic dyes from wastewater:Application,mechanisms and perspectives”綜述文章。該論文對染料性能進(jìn)行了全面綜述,并評述了染料廢水對環(huán)境的不利影響,分析論述了改性赤泥基環(huán)境材料在染料廢水中的應(yīng)用進(jìn)展。此外,本文還提出應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化赤泥材料的活化方法,開發(fā)具有能夠同時吸附多類型染料的赤泥基材料。為拓展赤泥在水處理中資源化利用進(jìn)行了有益的嘗試。

全文速覽

(1)赤泥(RM)是氧化鋁生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高堿性固體廢物,應(yīng)以無害環(huán)境的方式處理和回收。赤泥中含有豐富的金屬化合物,是一種很有應(yīng)用前景的環(huán)境修復(fù)材料。

(2)本文對染料的性能進(jìn)行了全面的綜述,并揭示了染料廢水污染物對環(huán)境的不利影響。進(jìn)一步綜述了改性赤泥基材料在染料廢水中的應(yīng)用。

(3)赤泥基材料對染料廢水的去除機(jī)理可包括為靜電相互作用、氫鍵、π-π鍵和催化氧化。此外,本文還提出在今后的研究中應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化赤泥材料的活化方法,開發(fā)具有多染料吸附性能的赤泥基材料。
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摘要導(dǎo)圖

研究進(jìn)展

赤泥因其含有豐富的金屬化合物而成為一種理想的廢水處理原料,可用于去除各種污染物,包括無機(jī)陰離子、重金屬和有機(jī)污染物。盡管一些綜述文章已經(jīng)強(qiáng)調(diào)了赤泥基材料在水處理中的重要性,并強(qiáng)調(diào)了它們在污染物去除方面的有效性,但對于特定污染物的綜述,如對有機(jī)染料的去除效果,卻缺乏關(guān)注。此外,對赤泥基材料去除有機(jī)染料的機(jī)理的研究也十分有限。本文旨在綜述赤泥作為低成本材料用于去除廢水中有機(jī)染料污染物的吸附潛力。通過總結(jié)近年來赤泥在水中染料去除方面的應(yīng)用,分析各種染料污染物的去除機(jī)理,為未來的研究提供了基礎(chǔ),并詳細(xì)討論了赤泥的發(fā)展現(xiàn)狀,同時提出了未來研究的方向。

1 赤泥的理化性質(zhì)及活化方法
赤泥因其含有豐富的金屬化合物、高孔隙率和大比表面積的特性而被廣泛研究,可用作有機(jī)染料廢水的吸附劑,已經(jīng)得到大量研究的證實。這些優(yōu)異性能促進(jìn)了其作為水體環(huán)境修復(fù)材料的研究應(yīng)用。赤泥的活化是制備吸附材料的關(guān)鍵步驟,包括酸處理、熱處理和其他化學(xué)試劑改性等方法。此外,活化處理不僅提高了吸附能力,還能有效防止赤泥中有害成分對吸附環(huán)境造成的二次污染,因此在環(huán)保方面具有重要意義。
2 染料的種類和危害
染料廣泛應(yīng)用于我們生活的各個領(lǐng)域,包括紡織品、化妝品、塑料和印刷等,是日常生活中常見的物品之一。根據(jù)其應(yīng)用分類,染料可分為酸性、堿性、直接染料等類型。在圖1中列舉了一些常見的染料化學(xué)結(jié)構(gòu)和工業(yè)應(yīng)用。染料廢水直接排放到開放水體中可能對環(huán)境造成嚴(yán)重威脅,導(dǎo)致環(huán)境惡化并對人類健康產(chǎn)生不利影響。鑒于中國紡織工業(yè)廢水中含有大量染料,因此有必要進(jìn)一步保護(hù)環(huán)境,采取適當(dāng)有效的處理技術(shù),以防止對生態(tài)系統(tǒng)造成污染。
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1 染料的種類和工業(yè)應(yīng)用

3 染料去除技術(shù)
目前,已經(jīng)報道了各種有效降解或去除水性介質(zhì)中的有害污染物的方法,以應(yīng)對這一環(huán)境挑戰(zhàn)。這些方法包括吸附、化學(xué)還原、膜過濾、絮凝、光催化降解、生物處理、離子交換等,來降低廢水中染料濃度的含量,如圖2所示。
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2 染料廢水處理;(a)膜過濾;(b)光催化降解;(c)電芬頓反應(yīng);(d)染料細(xì)菌降解機(jī)理研究

4 赤泥基材料在染料廢水中的應(yīng)用
為了克服單一原料和方法的局限性,可以將赤泥與其他物質(zhì)結(jié)合,制備復(fù)合材料(如圖3所示)。可以利用赤泥自身豐富的鐵和生物質(zhì)混合制備鐵碳復(fù)合材料,在提高吸附能力的同時也便于后期回收利用。制備的鐵碳材料還可以用作催化劑,利用Fe2+在過氧化氫的催化作用下,對有機(jī)染料進(jìn)行有效降解。除了與生物質(zhì)結(jié)合外,還可以引入其它金屬離子對其赤泥進(jìn)行改性,從而增加赤泥基材料的比表面積和活性位點,進(jìn)而提高對有機(jī)染料的去除效果。
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3 (aRM-BC(HP)/PS工藝降解AO7的可能催化機(jī)理bFBCs材料的制備工藝及吸附機(jī)理;c)ZAS/GRM吸附劑的合成原理dZAS/GRM吸附劑表面對剛果紅的吸附機(jī)理

5 去除機(jī)理

赤泥基材料對廢水染料的去除機(jī)理主要包括四種(見圖4):

(1)靜電相互作用:染料分子通常帶有電荷,可能為正電荷或負(fù)電荷。赤泥表面也可能帶有電荷,如氧化鋁通常帶負(fù)電荷。當(dāng)染料分子的電荷與赤泥表面的電荷相反時,它們之間會發(fā)生靜電吸引。

(2)氫鍵:染料分子中存在氫鍵供體或受體基團(tuán)時,它們可以與赤泥表面的氫鍵受體或供體基團(tuán)形成氫鍵。這種氫鍵相互作用可以增強(qiáng)染料分子與赤泥表面之間的相互作用力。

(3)π-π鍵:π-π堆積是一種非共價鍵相互作用,通過電子云重疊和電荷轉(zhuǎn)移實現(xiàn)。這種相互作用有助于染料分子吸附到赤泥表面。

(4)催化氧化:通過加入過氧化氫,利用赤泥中的鐵離子產(chǎn)生高活性的羥基自由基,從而促使染料分子氧化分解。
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圖4 赤泥基材料對染料的去除機(jī)理

6 展望

考慮到赤泥基材料在染料廢水處理中的潛在優(yōu)勢及其在實際應(yīng)用中的限制,我們可能需要著手解決以下問題:

(1)優(yōu)化赤泥的活化方法,減少廢料產(chǎn)生,避免使用酸處理,以免引發(fā)二次污染。

(2)探索具有多種染料吸附能力的赤泥基材料,以提高染料去除效率。

(3)深入研究赤泥材料的去除機(jī)理,揭示其在不同污染物中的去除作用機(jī)理。

(4)考慮實際污染物濃度,使用混合染料污染水或工業(yè)染料廢水進(jìn)行研究。

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圖5 赤泥處理印染廢水的前景與挑戰(zhàn)

結(jié)論

赤泥作為氧化鋁生產(chǎn)的固體廢棄物,含有大量的金屬氧化物,作為一種功能性環(huán)境修復(fù)材料得到了廣泛的研究。原始赤泥的吸附和催化性能較差,通常采用酸化、熱處理等方法對其進(jìn)行活化改性,這樣會改善其表面物理化學(xué)性能,從而增加吸附能力和催化活性。本文綜述了改性赤泥基材料在染料廢水中的應(yīng)用,其中去除機(jī)理可能是靜電作用力力、氫鍵、π-π鍵和催化氧化。浸出試驗表明,赤泥浸出率較低,不會發(fā)生嚴(yán)重的二次污染。

作者介紹

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方威,昆明理工大學(xué)碩士研究生。主要研究方向:有機(jī)固體廢物資源化、廢水處理。
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周越,博士,副教授,碩士研究生導(dǎo)師,曾擔(dān)任昆明理工大學(xué)研究生團(tuán)委書記,并榮獲“云南省高校思想政治教育工作先進(jìn)個人”、“云南省優(yōu)秀共青團(tuán)干部”個人榮譽稱號。2014年回學(xué)院擔(dān)任專任教師,從事教學(xué)科研工作,承擔(dān)固體廢棄物處理與處置國家精品課程本科教學(xué)工作,長期從事固體廢棄物資源化及環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)研究工作。擔(dān)任國家重點研發(fā)計劃子課題負(fù)責(zé)人一項,完成兩項國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)編制與發(fā)布工作(強(qiáng)制性排放標(biāo)準(zhǔn)),承擔(dān)三項云南省地方環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)編制工作,2018年、2019年榮獲中國有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎一等獎(兩項),2014年榮獲國家教育部教學(xué)成果二等獎。

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李彬,教授,博導(dǎo),昆明理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院副院長,兼云南鄉(xiāng)村振興研究院副院長,主要從事環(huán)境低碳化治理技術(shù)研發(fā)和環(huán)境類專業(yè)教學(xué)。云南省“興滇英才”教學(xué)名師、青年拔尖人才,國家級一流課程“環(huán)境影響評價”負(fù)責(zé)人。擁有國家注冊環(huán)保工程師、注冊咨詢工程師、注冊環(huán)評工程師。先后到昆鋼節(jié)能減排中心掛職副主任、德國克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)訪學(xué)。

近年在國內(nèi)外高水平期刊發(fā)表論文80余篇,獲授權(quán)國際國內(nèi)發(fā)明專利30余項。主持國家級科研項目3項、省部級項目6項。獲云南省科技進(jìn)步二等獎、有色行業(yè)技術(shù)發(fā)明一等獎各1項,獲國家級教學(xué)成果二等獎、有色金屬學(xué)會教學(xué)成果一等獎(排名第一)、云南省教學(xué)成果一等獎等?,F(xiàn)任有色金屬學(xué)會有色冶金資源綜合利用專委會委員、中國再生資源產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟專家委員、中國硅酸鹽學(xué)會固廢與生態(tài)材料分會學(xué)術(shù)委員會委員、云南省環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化委員會委員,擔(dān)任《輕金屬》《有色金屬學(xué)報》(中英文)編委。

通訊郵箱libin@kust.edu.cn

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劉澤偉,博士,校聘副教授,昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院校聘副教授,碩士生導(dǎo)師。主要研究方向有機(jī)固廢熱化學(xué)轉(zhuǎn)化、無機(jī)固廢高溫?zé)崽幚?、固體廢物污染物釋放、固體廢物資源化利用。2022年12月獲得同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程博士學(xué)位,師從趙由才教授。2019年7月-2022年9月,在中國環(huán)境科學(xué)研究院固體廢物污染控制技術(shù)研究所進(jìn)行博士聯(lián)合培養(yǎng),師從黃啟飛和黃澤春研究員。主要從事固體廢物管理、固廢熱化學(xué)轉(zhuǎn)化處理以及污染防控技術(shù)。

至今為止,以(共)第一作者和(共)通訊身份發(fā)表中科院二區(qū)水平以上SCI論文19篇,EI論文4篇,申請專利12項。目前,作為負(fù)責(zé)人主持或研科骨干深度參與了國家重點實驗室開放基金、國家自然科學(xué)基金、上海市科學(xué)技術(shù)委員會科研計劃項目、國家重點研發(fā)計劃專項、各地方生態(tài)環(huán)境廳以及企業(yè)委托項目11項。

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