炭化小麦秸秆对水中离子铵的吸附性能研究

摘要

为了实现农作物秸秆资源化，解决大量秸秆闲置浪费或就地焚烧的问题，本论文选用小麦秸秆为原料，对其进行物理改性，用直接炭化法制备了小麦秸秆吸附剂，并通过静态和动态吸附试验研究了炭化小麦秸秆对离子铵的吸附性能和影响因素。
　　 氨氮排入海湾，湖泊等水体容易使水中的藻类和其它生物大量繁殖，造成水体富营养化。现在，国内外处理氨氮废水的主要方法有生物处理法、化学处理法、物理化学处理法，然而吸附法作为处理氨氮的重要方法，在工业中已经得到应用。利用小麦秸秆制成的吸附剂来吸附氨氮，其优点是成本低，同时还可以作为含氮的肥料，使其还田。
　　 通过静态吸附法对离子铵初始浓度、溶液pH值、固液比、振荡时间以及温度等各种单一因素的变化对炭化小麦秸秆吸附离子铵的影响，并研究了炭化小麦秸秆吸附离子铵的吸附平衡、动力学及热力学特征，动力学数据采用准一级方程、准二级方程、Elovich方程数据分析，并采用颗粒内扩散方程研究其吸附机制。采用Langmuir和Freundlich方程对吸附等温线数据进行了线性拟合，同时并计算吸附过程的自由能变(ΔG)、熵变(ΔS)和焓变(ΔH)。
　　 利用炭化小麦秸秆对离子铵的动态吸附研究，探讨了离子铵的初始浓度、流速、初始pH值和吸附剂的添加量等对穿透曲线的影响，并采用固定床数学模型和Thomas模型对不同投加量、不同离子铵的初始浓度、不同pH值的吸附数据进行拟合。
　　 静态吸附试验表明：炭化小麦秸秆的表面结构有利于对离子铵的吸附，其相对于未炭化小麦秸秆对离子铵的最高吸附去除率由20％提高到61.41％。直接炭化法制备小麦秸秆吸附剂的最佳炭化温度为300℃，炭化小麦秸秆在温度为25℃，pH为9，固液比为6g·L-1，吸附振荡6h的条件下对氨氮的吸附去除最好，最大吸附量达到3.179mg·g-1；300℃时炭化小麦秸秆吸附不同质量浓度(ρ=30mg·L-1、50mg·L-1、100mg·L-1)氨氮的动力学曲线符合准二级动力学模型，吸附常数k2分别为0.6818、0.7474、1.0250(g·(mg·min)-1)；直接炭化小麦秸秆吸附剂对氨氮吸附去除的最佳温度是30℃；不同温度下的吸附等温线可用Freundlich吸附等温方程进行拟合，由吸附热力学方程计算得到的等量吸附焓变(△H>0)，吸附自由能变(△G<0)，吸附熵变(△S>0)，表明炭化小麦秸秆对离子铵的吸附为吸热的和熵增加的自发过程，且属于物理吸附。
　　 动态试验结果表明：随着离子铵初始浓度的增大，投加量的减少，流速的增大，及pH的增加，炭化秸秆对离子铵的吸附穿透曲线位点向左偏移。通过固定床数学模型计算得到的速率常数、相关系数、平衡吸附量和动力学参数，能较好地描述炭化小麦秸秆吸附离子铵的吸附动力学，同时我们用Thomas模型进行模拟后发现其也能够描述炭化小麦秸秆对离子铵的动态吸附。