改性秸秆对污水中染料物质的吸附脱除研究

【摘要】：秸秆是成熟农作物茎叶(穗)部分的总称,是一类农作物的废弃物。由于秸秆富含氮、磷、钾等元素,以及纤维素和木质素等有机物质,是一种具有多用途的可再生生物资源。然而,目前我国每年大量富余秸秆,最后大多是通过焚烧处理,这不仅造成资源的极大浪费,其燃烧过程中产生的废气还同时给大气环境造成污染。因此如何加快秸秆材料的综合利用,实现秸秆的资源化、产业化,促进资源节约、环境保护和农民增收,是当今我国农业领域中的重要课题之一。由于秸秆材料中富含的纤维素和木质素等天然高分子是一类重要的环境友好材料,且分子链上分布有大量的羟基、羧基等活性基团,对水体中的污染物质具有良好的络合吸附及絮凝作用,可作为一种绿色水处理剂应用于污水处理中。特别是通过适当化学改性,破坏天然高分子链原有的有序结构,引进新的功能基团,提高其反应性,无疑可进一步加强秸秆材料的水处理性能。 本课题以小麦秸秆为基材,采用醚化改性方法,引入羧甲基、季铵基团,分别制得一种阴离子型秸秆和阳离子型秸秆,还尝试在秸秆上同时引入这两种基团,制备一种兼具有阴、阳离子基团双重特点的两性型秸秆；还分别以阳离子型染料亚甲蓝(MB),阴离子型染料甲基橙(MO)及茜素绿(AG25)溶液作为模拟污水水样,系统地研究了上述三种改性秸秆对它们的吸附性能,并深入探讨了改性秸秆对离子型染料的吸附机理。结果表明：图1秸秆(□)和两性秸秆(○)分别对AG25(a)和MB(b)吸附脱除效果示意图 (1)阴离子型秸秆对阳离子型染料MB具有良好的吸附效果,但对阴离子型染料吸附能力却很弱；阳离子型秸秆对阴离子型染料MO和AG25均具有良好的吸附效果,但对阳离子型染料的吸附能力却很差。而兼具有阴、阳离子基团(羧甲基和季铵基团)的两性型秸秆,对阳离子型染料MB和阴离子型染料AG25在合适的pH条件下均具有良好的吸附效果,如图1所示,从而克服了前述两种离子型秸秆只能吸附脱除单一类型染料物质的不足。 (2)三种改性秸秆吸附剂对离子型染料的吸附均具有较为明显的pH依赖性,这主要是由于改性秸秆表面电性随体系pH的变化而发生改变,进而影响到改性秸秆与染料分子之间的静电吸附作用。进一步的吸附机理研究表明,在不同温度下,三种秸秆改性吸附剂对离子型染料的等温吸附均符合Langmuir模型,吸附动力学均符合假二级动力学模型及Elovich模型,而柱吸附行为符合Thomas模型,且吸附行为都不具有明显的温度依赖性。以上结果均证明三种离子型秸秆吸附剂对离子型染料的吸附机制均为伴随离子交换过程的表面控制的单分子层化学吸附行为。图2阴离子型(a)及阳离子型(b)秸秆吸附剂二次吸附机理示意图 (3)对于吸附剂而言,其再生利用能力是影响其实际应用的重要因素。通常吸附剂在使用过后可采用洗脱再利用的方法,从而达到反复使用以及降低成本的目的。本实验中,两性型秸秆在经历了吸附-脱附六个循环之后仍然能够保持原先的吸附效率,适于多次循环再利用。而对于阴离子型秸秆和阳离子型秸秆,本实验则尝试了一种新的再利用方法。一方面,吸附了染料物质的吸附剂应属于已使用过的废弃吸附剂；而另一方面,由于在一定pH条件下,这种负载了染料物质的秸秆材料具有一定化学稳定性,因此它们又可被看作是一类表面结构发生了改变的新的吸附剂材料,可以将它们直接用来吸附水体中的其它染料物质。结果表明,如图2所示,负载了MB的阴离子型秸秆吸附剂对MO具有良好的吸附脱除效果,而负载了MO或AG25的阳离子型秸秆对MB同样具有良好的吸附脱除效果。这种方法无疑是拓展吸附剂再利用方法的一种成功尝试。 综上所述,通过适当化学改性后的秸秆材料对于离子型染料具有较为理想吸附脱除效果,在染料废水处理中有着良好的应用前景。 【关键词】：阴离子型秸秆 阳离子型秸秆 两性型秸秆 二次吸附 染料吸附 柱吸附 吸附机理
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要8-11
• Abstract11-15
• 第一章 绪论15-37
• 1.1 前言15-17
• 1.2 染料的分类、污染危害与处理方法17-30
• 1.2.1 染料的分类17-18
• 1.2.1.1 阳离子型染料17
• 1.2.1.2 阴离子型染料17-18
• 1.2.1.3 非离子型染料18
• 1.2.2 染料的污染与危害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 染料废水的处理方法19-30
• 1.2.3.1 絮凝沉降法19-21
• 1.2.3.2 化学氧化法21-22
• 1.2.3.3 电化学法22-23
• 1.2.3.4 膜分离法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 硅胶26-27
• 1.2.3.6.3 沸石27
• 1.2.3.6.4 氧化铝27-28
• 1.2.3.6.5 天然高分子吸附剂28-30
• 1.3 秸秆的组成及应用30-36
• 1.3.1 秸秆的组成30-32
• 1.3.2 秸秆的应用32-36
• 1.3.2.1 人造板32-33
• 1.3.2.2 造纸33
• 1.3.2.3 生物质能33-34
• 1.3.2.4 水处理34-36
• 1.4 主要研究内容36-37
• 1.4.1 阴离子型秸秆的制备及对阳离子型染料的吸附研究36
• 1.4.2 阳离子型秸秆的制备及对阴离子型染料的吸附研究36
• 1.4.3 两性型秸秆的制备及对染料的吸附研究36-37
• 第二章 阴离子型秸秆的制备及对阳离子型染料的吸附研究37-68
• 2.1 实验内容37-42
• 2.1.1 实验试剂37
• 2.1.2 实验仪器37
• 2.1.2.1 制备实验仪器37
• 2.1.2.2 表征实验仪器37
• 2.1.3 阴离子型秸秆的制备37-38
• 2.1.4 阴离子型秸秆的表征38
• 2.1.4.1 FTIR表征38
• 2.1.4.2 SEM表征38
• 2.1.4.3 ζ电位表征38
• 2.1.4.4 羧基含量测定38
• 2.1.5 不同初始pH条件下阴离子型秸秆对MB的吸附38-39
• 2.1.6 等温吸附实验39
• 2.1.7 吸附动力学实验39
• 2.1.8 柱吸附实验39-41
• 2.1.8.1 pH对柱吸附的影响40
• 2.1.8.2 柱高和柱温对柱吸附的影响40
• 2.1.8.3 溶液初始浓度对柱吸附的影响40
• 2.1.8.4 流速对柱吸附的影响40-41
• 2.1.9 二次吸附研究41-42
• 2.1.9.1 不同pH条件下的脱附研究41
• 2.1.9.2 对MO的二次吸附研究41-42
• 2.2 阴离子型秸秆的制备及表征42-45
• 2.2.1 阴离子型秸秆的制备42
• 2.2.2 红外光谱分析42-43
• 2.2.3 扫描电镜分析43-44
• 2.2.4 ζ电位分析44
• 2.2.5 胶体滴定分析44-45
• 2.3 阴离子型秸秆对MB的吸附性能研究45-67
• 2.3.1 初始pH对阴离子型秸秆吸附MB的影响45-46
• 2.3.2 等温吸附实验46-50
• 2.3.3 吸附动力学实验50-52
• 2.3.4 柱吸附实验52-64
• 2.3.4.1 柱吸附模型拟合52-57
• 2.3.4.2 初始溶液pH对穿透曲线的影响57-58
• 2.3.4.3 柱高和柱温对穿透曲线的影响58-61
• 2.3.4.4 MB初始浓度对穿透曲线的影响61-62
• 2.3.4.5 流速对穿透曲线的影响62-64
• 2.3.5 负载了MB的阴离子型秸秆的二次吸附64-67
• 2.3.5.1 脱附实验64
• 2.3.5.2 对MO二次吸附实验64-67
• 2.4 小结67-68
• 第三章 阳离子型秸秆的制备及对阴离子型染料的吸附研究68-90
• 3.1 实验内容68-72
• 3.1.1 实验试剂68
• 3.1.2 实验仪器68-69
• 3.1.2.1 制备实验仪器68
• 3.1.2.2 表征实验仪器68-69
• 3.1.3 阳离子型秸秆的制备69
• 3.1.4 阳离子型秸秆的表征69
• 3.1.4.1 FTIR表征69
• 3.1.4.2 SEM表征69
• 3.1.4.3 ζ电位表征69
• 3.1.4.4 氮含量测定69
• 3.1.5 不同初始pH条件下阳离子型秸秆对MO和AG25的吸附69-70
• 3.1.6 等温吸附实验70
• 3.1.7 吸附动力学实验70
• 3.1.8 柱吸附实验70-71
• 3.1.9 二次吸附研究71-72
• 3.1.9.1 不同pH条件下的脱附研究71
• 3.1.9.2 对MB的二次吸附研究71-72
• 3.2 阳离子型秸秆的制备及表征72-75
• 3.2.1 阳离子型秸秆的制备72
• 3.2.2 红外光谱分析72-73
• 3.2.3 扫描电镜分析73
• 3.2.4 ζ电位分析73-74
• 3.2.5 氮含量分析74-75
• 3.3 阳离子型秸秆对MO和AG25的吸附性能研究75-89
• 3.3.1 初始pH对阳离子型秸秆吸附MO和AG25的影响75-76
• 3.3.2 等温吸附实验76-80
• 3.3.3 吸附动力学实验80-83
• 3.3.4 柱吸附实验83-85
• 3.3.5 负载了MO和AG25的阳离子型秸秆的二次吸附85-89
• 3.3.5.1 脱附实验85
• 3.3.5.2 对MB二次吸附实验85-89
• 3.4 小结89-90
• 第四章 两性型秸秆的制备及对染料的吸附研究90-105
• 4.1 实验内容90-93
• 4.1.1 实验试剂90
• 4.1.2 实验仪器90
• 4.1.2.1 制备实验仪器90
• 4.1.2.2 表征实验仪器90
• 4.1.3 两性型秸秆的制备90-91
• 4.1.4 两性型秸秆的表征91
• 4.1.4.1 FTIR表征91
• 4.1.4.2 SEM表征91
• 4.1.4.3 ζ电位表征91
• 4.1.4.4 季铵基、羧基含量测定91
• 4.1.5 不同初始pH条件下两性型秸秆对MB和AG25的吸附91-92
• 4.1.6 等温吸附实验92
• 4.1.7 吸附动力学实验92
• 4.1.8 吸附剂再生利用实验92-93
• 4.2 两性型秸秆的制备及表征93-96
• 4.2.1 两性型秸秆的制备93-94
• 4.2.2 红外光谱分析94
• 4.2.3 扫描电镜分析94-95
• 4.2.4 ζ电位分析95
• 4.2.5 胶体滴定分析95-96
• 4.3 两性型秸秆对MB和AG25的吸附性能研究96-104
• 4.3.1 初始pH对两性型秸秆吸附MB和AG25的影响96-97
• 4.3.2 等温吸附实验97-99
• 4.3.3 吸附动力学实验99-103
• 4.3.4 再生吸附实验103-104
• 4.4 小结104-105
• 第五章 结论与展望105-107
• 参考文献107-115
• 相关成果115-116
• 致谢116-117

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