复合吸附材料对水中重金属及有机碳的吸附研究

摘要

随着工业化的迅速发展，工业废水的任意排放对生态环境和人体健康造成极大的威胁，而重金属污染和有机碳污染是当前工业废水处理中两大重点。近年来，生物吸附剂凭借其来源广、价格低廉、后处理简单等优势在重金属处理领域备受国内外学者的关注，学者们通过改性处理大大提高了生物吸附剂对重金属的吸附效果。高吸油树脂因其吸油速度快、保油效果好、油水选择性强等优点常用于含油污水的处理。
　　本论文分别研究了不同复合吸附材料对重金属和有机碳的吸附。对于重金属吸附，将农产品废弃物芋头梗粉末（TA）作为基本的吸附材料，设计并合成了氨化磁性复合材料（MATA）和羧甲基化磁性复合材料（MCTA）；采用扫描电镜（SEM），比表面积分析仪（BET）和傅里叶红外光谱仪（FT-IR）对吸附材料进行了检测，得到了相应的表征结果；研究了pH值、吸附时间、重金属初始浓度、吸附剂用量和温度各因素对MATA材料吸附Ni2+和Cu2+的影响；对于有机碳吸附，主要研究了温度和流速对三种聚苯乙烯丙烯酸酯共聚物动态吸附的影响，并建立相关数学模型。
　　（1）分别采用乙二胺和柠檬酸两种改性剂对芋头梗粉末改性，得到氨化芋头梗粉末（ATA）和羧甲基化芋头梗粉末（CTA），然后将改性材料磁化，最后得到氨化磁性复合材料和羧甲基化磁性复合材料。将未改性的 TA与改性后制备的M ATA和M C TA进行扫描电镜、比表面积、红外波谱表征分析。通过比较发现：TA含丰富的纤维结构，改性后的M ATA为疏松的球形结构，M C TA为块状结构；根据比表面积和吸附效果比较， M ATA和 M C TA较 TA比表面积降低，但吸附量增加，说明两种磁性复合材料对重金属的吸附主要以化学吸附为主；由 FT-IR分析表明，M ATA和M C TA氨基和羧基峰增强，说明改性吸附材料表面官能团没有减少，反而增加了；通过 TA、ATA、CTA、MATA和 MCTA5种材料对 Ni2+和Cu2+的吸附量比较， MATA的吸附效果最好。
　　（2）研究了MATA材料随各因素变化对 Ni2+、Cu2+吸附量的变化趋势。Ni2+的最佳吸附条件为pH值为7.5，吸附时间为6 h，吸附剂用量为0.8 g，初始浓度为400 mg/L，Cu2+的最佳吸附条件为pH值为5.5，吸附时间为16 h，吸附剂用量为0.8 g，初始浓度为400 mg/L。通过动力学和热力学分析， MATA吸附 Ni2+和Cu2+的过程，动力学上满足准二级动力学方程，热力学既符合 Langmuir等温吸附模型也符合Freundlich等温吸附模型，Ni2+最大吸附量为44.84 mg/g，Cu2+最大吸附量为47.39 mg/g；另外通过计算MATA对Ni2+和Cu2+吸附的热力学过程的吉布斯自由能，表明两个吸附过程均是一个自发进行的过程。
　　（3）研究了聚苯乙烯-丙烯酸甲酯（St-MMA）、聚苯乙烯-丙烯酸丁酯（St-BMA）、聚苯乙烯-丙烯酸十八酯（St-OMA）三种多孔聚苯乙烯材料对有机碳的动态吸附。从 St-OMA的 SEM、BET、FT-IR表征结果，开孔丰富，具有微孔，介孔结构。从静态吸附结果可以看出，苯乙烯—丙烯酸酯共聚多孔材料亲油性明显优于亲水性， St-OMA的吸油效果最好；从动态吸附量随温度的变化曲线可以看出，三种材料的曲线皆呈先上升，后下降的趋势，多孔材料动态吸附量与溶液温度的关系符合洛伦兹分布，拟合数据的相关性R2均大于0.96，并得到三种材料的最佳吸附温度分别为：41℃、46℃、46℃；从动态吸附量随流速变化曲线可以看出，三种材料的拟合曲线皆呈先快速上升，后缓慢下降的趋势，多孔材料动态吸附量与溶液流速的关系呈对数正态分布，相关性 R2均大于0.96，并得到St-MMA、St-BMA、St-OMA的最佳吸附流速分别为：0.15 L/min、0.15 L/min、0.16 L/min。

目录

第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 重金属的危害及处理技术

1.3 有机碳的危害及处理技术

1.4 吸附材料的研究进展

1.5 吸附研究状况

1.6 课题的选择和研究内容

第2章 磁性复合吸附材料的制备

2.1 实验药品与仪器

2.2 磁性复合材料的制备

2.3 材料表征方法

2.4 结果与分析

2.5 本章小结

第3章 磁性复合材料对水中重金属的吸附

3.1 实验试剂与仪器

3.2 实验方法

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 高吸油树脂对有机碳的吸附

4.1 实验药品与仪器

4.2 实验方法

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢