水稻秸秆阴离子吸附剂的制备及其性能研究

摘要

中国水稻秸秆资源丰富，但是大部分却没有得到合理的利用，而是被直接丢弃或焚烧，导致大量环境污染及安全事故的问题。富营养化问题是当今世界面临的严峻的水污染问题之一，其主要是因为水体中含有的氮、磷等可供藻类利用的营养物质过多，其中磷是藻类增殖的限制因子，是引起水体富营养化的关键营养物质。本文在原有方法基础上合成得到一种水稻秸秆阴离子吸附剂，并运用于水中磷酸根的吸附研究。
　　本次研究以环氧氯丙烷作为醚化剂，以交联剂乙二胺代替催化剂吡啶，与三乙胺发生交联反应，通过接入季胺基团，改变水稻秸秆的表面电性和对磷酸根的去除性能。在不同物料投加量、反应时间和反应温度下，对水稻秸秆进行修饰，通过单因素实验，以修饰后水稻秸秆对磷酸根的去除率及修饰水稻秸秆表面电性作为指标，确定了最佳合成条件并到了最佳产物；并且利用现代分析技术，如扫描电镜技术、元素分析技术、红外光谱技术和多种化学方法等，对得修饰后水稻秸秆的结构形貌、组成元素、比表面积和表面电荷进行了表征，并与原水稻秸秆进行了对比。
　　结果表明，在水稻秸秆修饰过程中，各物料配比和各阶段的反应温度、反应时间等都是影响合成效果较为关键的因素，因此在修饰过程中应该严格控制各条件。修饰后水稻秸秆对磷酸根的最佳吸附条件是：pH4～10；吸附剂的投加量5g/L；温度对吸附效果没有太大的影响，因此实际的应用不受季节气温的限制。修饰后的水稻秸秆除磷的效果很好，去除率达90%以上。
　　水稻秸秆修饰后，部分物化性质发生了变化。在结构形貌上，修饰后水稻秸秆表面更光滑，并且沿纵向出现很多空腔；在元素含量上，修饰后水稻秸秆的含氮量大大增加；在表面电性上，修饰前水稻秸秆表面带负电荷，修饰后水稻秸秆表面带正电荷。
　　本研究还在实验室中通过静态吸附法对修饰水稻秸秆对模拟水中磷酸根的吸附效果进行了详尽的研究；同时根据各种吸附动力学模式，计算出相应的动力学速率常数及反应级数。结果表明，Langmuir模型适用于其对磷酸根的吸附，最大的吸附量达1.96 mmol/g。修饰后水稻秸秆对阴离子的去除速度很快，在15min内即可完成整个吸附过程，达到吸附平衡。颗粒内扩散方程和伪二级动力学方程可较好的描述吸附过程，该吸附过程受颗粒内扩散的控制，但颗粒内扩散控制不是唯一的速率控制步骤。
　　吸附剂再生时，使用20ml，0.1mol/L NaOH溶液对0.2g饱和吸附阴离子的修饰后水稻秸秆的解吸率即可达到90%以上。通过吸附一解吸循环10次的试验表明，水稻秸秆的吸附容量没有发生明显的变化，表明修饰水稻秸秆在富营养化水体处理方面，具有较高的实用价值。

目录

文摘

英文文摘

插图索引

附表索引

第1章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 吸附概述

1.2.1 吸附理论发展

1.2.2 吸附剂的分类

1.2.3 离子吸附剂制备

1.2.4 离子吸附剂应用

1.3 国内外农作物秸杆的综合利用现状

1.3.1 秸秆主要用途

1.3.2 农作物秸秆纤维，改性的研究

1.4 水体中硝酸根、磷酸根危害及处理技术

1.4.1 水体中硝酸根、磷酸根的危害

1.4.2 相关处理技术

1.5 小结

第2章 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.1.1 水稻秸秆材料

2.1.2 实验药品

2.1.3 仪器和设备

2.2 实验方法

2.2.1 水稻秸秆阴离子吸附剂的准备

2.2.2 产物表征实验方法

2.2.3 吸附方法(静态吸附法)

2.2.4 磷酸根浓度的测定

第3章 修饰水稻秸秆阴离子吸附剂的合成机理研究

3.1 水稻秸秆的主要组成及结构分析

3.1.1 水稻秸秆的化学组成

3.1.2 水稻秸秆结构分析

3.2 合成机理研究

3.2.1 反应介质的选择

3.2.2 胺类的选择

3.2.3 催化剂的探讨及选择

3.3 修饰水稻秸秆阴离子吸附剂合成方法

第4章 实验最佳反应条件的选择

4.1 原水稻秸秆的投加量对反应效果的影响

4.2 DMF投加量对反应的影响

4.3 催化剂的投加量对反应效果的影响

4.4 三乙胺的投加量对反应效果的影响

4.5 醚化时间对反应效果的影响

4.6 催化时间对反应效果的影响

4.7 接枝反应时间对反应效果的影响

4.8 反应温度对反应效果的影响

第5章 水稻秸秆修饰前后物化性质的变化

5.1 秸秆修饰前后色泽的变化

5.2 秸秆修饰前后SEM图片的变化

5.3 修饰前后比表面积的变化

5.4 修饰前后Zeta电位的变化

5.5 修饰前后氮含量的变化

5.6 秸秆修饰前后红外图谱的变化

5.7 小结

第6章 乙二胺制备的水稻秸秆对磷酸根的吸附性能研究

6.1 吸附热力学及动力学的主要研究模式

6.1.1 吸附热力学的研究模式

6.1.2 吸附动力学研究的主要模式

6.2 吸附剂投加量对磷酸根吸附效果的影响

6.3 溶液pH值对吸附效果的影响

6.4 温度对磷酸根吸附效果的影响

6.5 初始浓度对吸附速率的影响

6.6 不同初始浓度的吸附动力学方程研究

6.6.1 伪一级动力学方程的拟合

6.6.2 伪二级动力学方程的拟合

6.6.3 颗粒内扩散方程的拟合

6.7 吸附剂再生技术研究

6.7.1 再生原理

6.7.2 再生实验

6.7.3 小结

结 论

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文

附件

致 谢