改性秸稈對污水中染料物質(zhì)的吸附脫除研究

【摘要】：秸稈是成熟農(nóng)作物莖葉(穗)部分的總稱,是一類農(nóng)作物的廢棄物。由于秸稈富含氮、磷、鉀等元素,以及纖維素和木質(zhì)素等有機(jī)物質(zhì),是一種具有多用途的可再生生物資源。然而,目前我國每年大量富余秸稈,最后大多是通過焚燒處理,這不僅造成資源的極大浪費,其燃燒過程中產(chǎn)生的廢氣還同時給大氣環(huán)境造成污染。因此如何加快秸稈材料的綜合利用,實現(xiàn)秸稈的資源化、產(chǎn)業(yè)化,促進(jìn)資源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)和農(nóng)民增收,是當(dāng)今我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的重要課題之一。由于秸稈材料中富含的纖維素和木質(zhì)素等天然高分子是一類重要的環(huán)境友好材料,且分子鏈上分布有大量的羥基、羧基等活性基團(tuán),對水體中的污染物質(zhì)具有良好的絡(luò)合吸附及絮凝作用,可作為一種綠色水處理劑應(yīng)用于污水處理中。特別是通過適當(dāng)化學(xué)改性,破壞天然高分子鏈原有的有序結(jié)構(gòu),引進(jìn)新的功能基團(tuán),提高其反應(yīng)性,無疑可進(jìn)一步加強秸稈材料的水處理性能。 本課題以小麥秸稈為基材,采用醚化改性方法,引入羧甲基、季銨基團(tuán),分別制得一種陰離子型秸稈和陽離子型秸稈,還嘗試在秸稈上同時引入這兩種基團(tuán),制備一種兼具有陰、陽離子基團(tuán)雙重特點的兩性型秸稈；還分別以陽離子型染料亞甲藍(lán)(MB),陰離子型染料甲基橙(MO)及茜素綠(AG25)溶液作為模擬污水水樣,系統(tǒng)地研究了上述三種改性秸稈對它們的吸附性能,并深入探討了改性秸稈對離子型染料的吸附機(jī)理。結(jié)果表明：圖1秸稈(□)和兩性秸稈(○)分別對AG25(a)和MB(b)吸附脫除效果示意圖 (1)陰離子型秸稈對陽離子型染料MB具有良好的吸附效果,但對陰離子型染料吸附能力卻很弱；陽離子型秸稈對陰離子型染料MO和AG25均具有良好的吸附效果,但對陽離子型染料的吸附能力卻很差。而兼具有陰、陽離子基團(tuán)(羧甲基和季銨基團(tuán))的兩性型秸稈,對陽離子型染料MB和陰離子型染料AG25在合適的pH條件下均具有良好的吸附效果,如圖1所示,從而克服了前述兩種離子型秸稈只能吸附脫除單一類型染料物質(zhì)的不足。 (2)三種改性秸稈吸附劑對離子型染料的吸附均具有較為明顯的pH依賴性,這主要是由于改性秸稈表面電性隨體系pH的變化而發(fā)生改變,進(jìn)而影響到改性秸稈與染料分子之間的靜電吸附作用。進(jìn)一步的吸附機(jī)理研究表明,在不同溫度下,三種秸稈改性吸附劑對離子型染料的等溫吸附均符合Langmuir模型,吸附動力學(xué)均符合假二級動力學(xué)模型及Elovich模型,而柱吸附行為符合Thomas模型,且吸附行為都不具有明顯的溫度依賴性。以上結(jié)果均證明三種離子型秸稈吸附劑對離子型染料的吸附機(jī)制均為伴隨離子交換過程的表面控制的單分子層化學(xué)吸附行為。圖2陰離子型(a)及陽離子型(b)秸稈吸附劑二次吸附機(jī)理示意圖 (3)對于吸附劑而言,其再生利用能力是影響其實際應(yīng)用的重要因素。通常吸附劑在使用過后可采用洗脫再利用的方法,從而達(dá)到反復(fù)使用以及降低成本的目的。本實驗中,兩性型秸稈在經(jīng)歷了吸附-脫附六個循環(huán)之后仍然能夠保持原先的吸附效率,適于多次循環(huán)再利用。而對于陰離子型秸稈和陽離子型秸稈,本實驗則嘗試了一種新的再利用方法。一方面,吸附了染料物質(zhì)的吸附劑應(yīng)屬于已使用過的廢棄吸附劑；而另一方面,由于在一定pH條件下,這種負(fù)載了染料物質(zhì)的秸稈材料具有一定化學(xué)穩(wěn)定性,因此它們又可被看作是一類表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變的新的吸附劑材料,可以將它們直接用來吸附水體中的其它染料物質(zhì)。結(jié)果表明,如圖2所示,負(fù)載了MB的陰離子型秸稈吸附劑對MO具有良好的吸附脫除效果,而負(fù)載了MO或AG25的陽離子型秸稈對MB同樣具有良好的吸附脫除效果。這種方法無疑是拓展吸附劑再利用方法的一種成功嘗試。 綜上所述,通過適當(dāng)化學(xué)改性后的秸稈材料對于離子型染料具有較為理想吸附脫除效果,在染料廢水處理中有著良好的應(yīng)用前景。 【關(guān)鍵詞】：陰離子型秸稈 陽離子型秸稈 兩性型秸稈 二次吸附 染料吸附 柱吸附 吸附機(jī)理
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：X703
【目錄】：

• 摘要8-11
• Abstract11-15
• 第一章 緒論15-37
• 1.1 前言15-17
• 1.2 染料的分類、污染危害與處理方法17-30
• 1.2.1 染料的分類17-18
• 1.2.1.1 陽離子型染料17
• 1.2.1.2 陰離子型染料17-18
• 1.2.1.3 非離子型染料18
• 1.2.2 染料的污染與危害18-19
• 1.2.2.1 染料的污染18-19
• 1.2.2.2 染料污染的危害19
• 1.2.3 染料廢水的處理方法19-30
• 1.2.3.1 絮凝沉降法19-21
• 1.2.3.2 化學(xué)氧化法21-22
• 1.2.3.3 電化學(xué)法22-23
• 1.2.3.4 膜分離法23-24
• 1.2.3.5 生物法24-25
• 1.2.3.6 吸附法25-30
• 1.2.3.6.1 活性炭25-26
• 1.2.3.6.2 硅膠26-27
• 1.2.3.6.3 沸石27
• 1.2.3.6.4 氧化鋁27-28
• 1.2.3.6.5 天然高分子吸附劑28-30
• 1.3 秸稈的組成及應(yīng)用30-36
• 1.3.1 秸稈的組成30-32
• 1.3.2 秸稈的應(yīng)用32-36
• 1.3.2.1 人造板32-33
• 1.3.2.2 造紙33
• 1.3.2.3 生物質(zhì)能33-34
• 1.3.2.4 水處理34-36
• 1.4 主要研究內(nèi)容36-37
• 1.4.1 陰離子型秸稈的制備及對陽離子型染料的吸附研究36
• 1.4.2 陽離子型秸稈的制備及對陰離子型染料的吸附研究36
• 1.4.3 兩性型秸稈的制備及對染料的吸附研究36-37
• 第二章 陰離子型秸稈的制備及對陽離子型染料的吸附研究37-68
• 2.1 實驗內(nèi)容37-42
• 2.1.1 實驗試劑37
• 2.1.2 實驗儀器37
• 2.1.2.1 制備實驗儀器37
• 2.1.2.2 表征實驗儀器37
• 2.1.3 陰離子型秸稈的制備37-38
• 2.1.4 陰離子型秸稈的表征38
• 2.1.4.1 FTIR表征38
• 2.1.4.2 SEM表征38
• 2.1.4.3 ζ電位表征38
• 2.1.4.4 羧基含量測定38
• 2.1.5 不同初始pH條件下陰離子型秸稈對MB的吸附38-39
• 2.1.6 等溫吸附實驗39
• 2.1.7 吸附動力學(xué)實驗39
• 2.1.8 柱吸附實驗39-41
• 2.1.8.1 pH對柱吸附的影響40
• 2.1.8.2 柱高和柱溫對柱吸附的影響40
• 2.1.8.3 溶液初始濃度對柱吸附的影響40
• 2.1.8.4 流速對柱吸附的影響40-41
• 2.1.9 二次吸附研究41-42
• 2.1.9.1 不同pH條件下的脫附研究41
• 2.1.9.2 對MO的二次吸附研究41-42
• 2.2 陰離子型秸稈的制備及表征42-45
• 2.2.1 陰離子型秸稈的制備42
• 2.2.2 紅外光譜分析42-43
• 2.2.3 掃描電鏡分析43-44
• 2.2.4 ζ電位分析44
• 2.2.5 膠體滴定分析44-45
• 2.3 陰離子型秸稈對MB的吸附性能研究45-67
• 2.3.1 初始pH對陰離子型秸稈吸附MB的影響45-46
• 2.3.2 等溫吸附實驗46-50
• 2.3.3 吸附動力學(xué)實驗50-52
• 2.3.4 柱吸附實驗52-64
• 2.3.4.1 柱吸附模型擬合52-57
• 2.3.4.2 初始溶液pH對穿透曲線的影響57-58
• 2.3.4.3 柱高和柱溫對穿透曲線的影響58-61
• 2.3.4.4 MB初始濃度對穿透曲線的影響61-62
• 2.3.4.5 流速對穿透曲線的影響62-64
• 2.3.5 負(fù)載了MB的陰離子型秸稈的二次吸附64-67
• 2.3.5.1 脫附實驗64
• 2.3.5.2 對MO二次吸附實驗64-67
• 2.4 小結(jié)67-68
• 第三章 陽離子型秸稈的制備及對陰離子型染料的吸附研究68-90
• 3.1 實驗內(nèi)容68-72
• 3.1.1 實驗試劑68
• 3.1.2 實驗儀器68-69
• 3.1.2.1 制備實驗儀器68
• 3.1.2.2 表征實驗儀器68-69
• 3.1.3 陽離子型秸稈的制備69
• 3.1.4 陽離子型秸稈的表征69
• 3.1.4.1 FTIR表征69
• 3.1.4.2 SEM表征69
• 3.1.4.3 ζ電位表征69
• 3.1.4.4 氮含量測定69
• 3.1.5 不同初始pH條件下陽離子型秸稈對MO和AG25的吸附69-70
• 3.1.6 等溫吸附實驗70
• 3.1.7 吸附動力學(xué)實驗70
• 3.1.8 柱吸附實驗70-71
• 3.1.9 二次吸附研究71-72
• 3.1.9.1 不同pH條件下的脫附研究71
• 3.1.9.2 對MB的二次吸附研究71-72
• 3.2 陽離子型秸稈的制備及表征72-75
• 3.2.1 陽離子型秸稈的制備72
• 3.2.2 紅外光譜分析72-73
• 3.2.3 掃描電鏡分析73
• 3.2.4 ζ電位分析73-74
• 3.2.5 氮含量分析74-75
• 3.3 陽離子型秸稈對MO和AG25的吸附性能研究75-89
• 3.3.1 初始pH對陽離子型秸稈吸附MO和AG25的影響75-76
• 3.3.2 等溫吸附實驗76-80
• 3.3.3 吸附動力學(xué)實驗80-83
• 3.3.4 柱吸附實驗83-85
• 3.3.5 負(fù)載了MO和AG25的陽離子型秸稈的二次吸附85-89
• 3.3.5.1 脫附實驗85
• 3.3.5.2 對MB二次吸附實驗85-89
• 3.4 小結(jié)89-90
• 第四章 兩性型秸稈的制備及對染料的吸附研究90-105
• 4.1 實驗內(nèi)容90-93
• 4.1.1 實驗試劑90
• 4.1.2 實驗儀器90
• 4.1.2.1 制備實驗儀器90
• 4.1.2.2 表征實驗儀器90
• 4.1.3 兩性型秸稈的制備90-91
• 4.1.4 兩性型秸稈的表征91
• 4.1.4.1 FTIR表征91
• 4.1.4.2 SEM表征91
• 4.1.4.3 ζ電位表征91
• 4.1.4.4 季銨基、羧基含量測定91
• 4.1.5 不同初始pH條件下兩性型秸稈對MB和AG25的吸附91-92
• 4.1.6 等溫吸附實驗92
• 4.1.7 吸附動力學(xué)實驗92
• 4.1.8 吸附劑再生利用實驗92-93
• 4.2 兩性型秸稈的制備及表征93-96
• 4.2.1 兩性型秸稈的制備93-94
• 4.2.2 紅外光譜分析94
• 4.2.3 掃描電鏡分析94-95
• 4.2.4 ζ電位分析95
• 4.2.5 膠體滴定分析95-96
• 4.3 兩性型秸稈對MB和AG25的吸附性能研究96-104
• 4.3.1 初始pH對兩性型秸稈吸附MB和AG25的影響96-97
• 4.3.2 等溫吸附實驗97-99
• 4.3.3 吸附動力學(xué)實驗99-103
• 4.3.4 再生吸附實驗103-104
• 4.4 小結(jié)104-105
• 第五章 結(jié)論與展望105-107
• 參考文獻(xiàn)107-115
• 相關(guān)成果115-116
• 致謝116-117

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