改性秸秆炭黑和膨化秸秆吸附去除废水中氨氮的研究

摘要

农业秸秆通常指玉米、小麦、水稻和其他农作物在收获籽实后剩余的部分。秸秆是农作物的重要副产品,同时,也是工、农业生产的重要生产资源。但是大量秸秆被闲置浪费或就地焚烧。特别是秸秆焚烧,不仅带来了环境污染,也造成了许多事故,对交通和运输安全等构成极大威胁。氨氮排入湖泊、海湾等水体,容易引起水中藻类及其他微生物大量繁殖,形成富营养化污染。目前,国内外处理氨氮废水的技术主要有物理化学处理法,化学处理法,生物处理法。吸附法作为处理氨氮废水的重要手段,在实际生活中得以广泛应用。目前已有开发新型吸附材料用于吸附处理氨氮废水的报道,而有关改性秸秆吸附处理氨氮废水的研究鲜有报道。因此,利用农作物秸秆所制成的氨氮吸附剂,由于其成本低,可以大量应用于含氮废水的处理,同时,吸附了大量氨氮的改性秸秆又可作为含氮的肥料,使其还田,不产生固体废弃物。
　　本文以玉米秸秆为原料,经过化学改性,制备成两种改性玉米秸秆吸附剂;然后选取氨氮为目的污染物,分别进行吸附去除试验,探讨改性秸秆吸附剂对水体中氨氮的去除效果及影响因素,为去除水体中氨氮提供一种新的方法。在改性方法的研究中,确定了最佳炭黑化方法为在马弗炉中300℃下,密闭炭化30min。并且筛选出硝酸作为改性剂,然后通过正交试验对影响改性效果的投料比、改性剂浓度、活化时间三个影响因素进行了研究,依据对氨氮的去除效果确定了硝酸改性的最佳条件为:取2g秸秆炭黑或者膨化秸秆加入到100mL浓度为6mol/L的硝酸溶液中活化3h。不同影响因素(投加量、吸附时间、温度、pH、初始浓度)对改性秸秆炭黑吸附氨氮效果的研究表明,随着投加量的提高,改性秸秆炭黑对氨氮的去除率也随之提高,当投加量为10g/L时,改性秸秆炭黑对氨氮有较好的吸附效果。pH值的提高有利于改性秸秆炭黑对氨氮的吸附,pH值为7时,其对氨氮的去除率可达80％以上。改性秸秆炭黑在5min内即可对氨氮进行有效吸附,吸附平衡时间由未改性时的6h缩短至3h。二级动力学和准二级动力学方程能较好的拟合其吸附动力学特征。Langmui、Freundlich、Linear方程能够很好地拟合其等温吸附特征。25℃下,由Langmuir方程所得的最大吸附量为9.08mg/g。Freundlich方程的吸附系数K随温度的升高而增大,说明该吸附是吸热反应,升高温度有利于吸附。不同影响因素(投加量、吸附时间、温度、pH、初始浓度)对改性膨化秸秆吸附氨氮效果的研究表明,随着投加量的提高,改性膨化秸秆对氨氮的去除率也随之提高,当投加量为12g/L时,改性膨化秸秆对氨氮有较好的吸附效果。pH值的提高有利于改性膨化秸秆对氨氮的吸附,pH值为7时,其对氨氮的去除率可达75％以上。改性膨化秸秆在5min内可对氨氮进行有效吸附,吸附平衡时间由未改性时的7h缩短至5h。二级动力学和准二级动力学方程能较好的拟合其吸附动力学特征。Langmuir、Freundlich、Linear方程能够很好地拟合其等温吸附特征。25℃下,由Langmuir方程所得的最大吸附量为7.53mg/g。Freundlich方程的吸附系数K随温度的升高而增大,说明该吸附是吸热反应,升高温度有利于吸附。改性秸秆炭黑和膨化秸秆对实际生活废水中的氨氮均有较好的去除效果。试验表明,升高pH有利于改性秸秆炭黑和膨化秸秆对氨氮的去除,从处理实际生活废水的角度,将水样初始pH调到7-8进行处理,能取得较好的去除效果。提高投加量同样可以提高氨氮的去除率。对于改性秸秆炭黑,投加量为10g/L时,对氨氮去除率达到80％以上。对于改性膨化秸秆,投加量为12g/L时,对氨氮去除率接近80％。论文最后指出,在后续研究中需进一步考察改性玉米秸秆吸附剂对其他阳离子,比如重金属等的吸附去除效果。考察在吸附柱的中试条件下吸附工艺、运行参数的修正等。加大对改性秸秆还田技术的研究,可以使改性秸秆成为真正的环境友好材料,做到使用后的改性秸秆还田,不会带来新的污染问题。

目录

摘要

ABSTRACT

第1章 文献综述

1.1 纤维吸附材料及其制备方法

1.1.1 纤维吸附材料

1.1.2 制备方法

1.2 农业秸秆的利用及研究现状

1.2.1 农业秸秆的产生量

1.2.2 农业秸秆利用的方式及特点

1.2.3 农业秸秆改性的研究进展

1.3 水体中氨氮的危害及相关处理技术

1.3.1 水体中氨氮的危害

1.32 相关处理技术

1.4 小结

第2章 引言

2.1 研究目的和意义

2.2 研究目标

2.3 研究内容

2.4 技术路线

第3章 材料与方法

3.1 材料与设备

3.1.1 主要材料与试剂

3.1.2 主要试验设备

3.2 试验方法

3.2.1 秸秆炭化条件的优选

3.2.2 改性剂的优选

3.2.3 吸附剂表面改性条件的优选

3.2.4 吸附剂对模拟氨氮水样的吸附试验

3.2.5 吸附剂对模拟氨氮水样的解吸试验

3.3 氨氮指标的测定方法

3.3.1 纳氏试剂比色法

3.3.2 水样中氨氮的测定

第4章 结果与分析

4.1 最佳炭化条件、改性剂和改性条件的选择

4.1.1 最佳炭化条件的选择

4.1.2 最佳改性剂的选择

4.1.3 最佳改性条件的选择

4.1.4 改性秸秆炭黑和膨化秸秆的清洗制粒

4.2 改性秸秆炭黑对氨氮的吸附解吸试验

4.2.1 投加量对吸附效果的影响

4.2.2 改性秸秆炭黑吸附氨氮的动力学特征

4.2.3 pH值对吸附效果的影响

4.2.4 温度对吸附效果的影响

4.2.5 氨氮初始浓度对吸附效果的影响

4.2.6 改性秸秆炭黑对氨氮的等温吸附研究

4.2.7 改性秸秆炭黑对氨氮的等温解吸研究

4.3 改性膨化秸秆对氨氮的吸附解吸试验

4.3.1 投加量对吸附效果的影响

4.3.2 改性膨化秸秆吸附氨氮的动力学特征

4.3.3 pH值对吸附效果的影响

4.3.4 温度对吸附效果的影响

4.3.5 氨氮初始浓度对吸附效果的影响

4.3.6 改性膨化秸秆对氨氮的等温吸附研究

4.3.7 改性膨化秸秆对氨氮的等温解吸研究

4.4 改性秸秆炭黑和膨化秸秆对实际废水的处理效果

4.4.1 改性秸秆炭黑的处理效果

4.4.2 改性膨化秸秆的处理效果

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

发表的论文