阳离子型芋头淀粉絮凝剂的制备及其性能研究

摘要

随着现代化工业的发展，水污染问题越发严重，此时亟待一种环境友好型絮凝剂以解决用水紧张的状况。淀粉是地球上最为丰富的生物质能源之一，通过对其醚化，酯化，接枝共聚等手段制备成高效，可生物降解的淀粉基絮凝剂，可实现淀粉资源可持续化利用。芋头资源来源广泛，产量高，每年因过多芋头废料的堆放造成资源的浪费，且开发应用少有报道，因此本论文提供了一种深加工芋头淀粉的方案，将芋头淀粉制备成环境友好型淀粉基絮凝剂，不仅可以减少废料的堆放，提高经济效益，还可以拓宽芋头淀粉的应用领域，提高产品附加值。
　　首先，NaOH沉淀法提取芋头淀粉后，采用2，3-环氧丙基三甲基氯化铵(GTA)为阳离子醚化剂，NaOH为碱催化剂，制备了阳离子型芋头淀粉(Cationic Taro Starch，CTS)絮凝材料，确定合成体系含水量为25％后，采用了响应面法对其合成工艺进行优化，确定最佳工艺条件为:淀粉5g，反应温度为54.95℃，反应时间为2.63h，GTA的投加量为0.92g，NaOH的投加量为0.09g。优化所得最终产物阳离子取代度(DS)为0.509，溶解度为53.5％，膨润力为46.4％，糊液透明度为67.2％，相比于原淀粉，溶解度，糊液透明度变大，膨润力变小。后对产品进行红外光谱(FTIR)和扫描电镜(SEM)表征，结果发现:红外光谱上显示CTS有季铵盐特征峰，扫描电镜显示产品颗粒表面粗糙有褶皱，两者皆表明产品与目标产物一致。
　　其次，选用直接紫N，活性翠蓝KN-G，中性深黄GL，分散艳蓝E-4R为研究对象，进一步考察CTS絮凝材料对染料的絮凝脱色性能。对直接紫N，活性翠蓝KN-G，中性深黄GL，分散艳蓝E-4R投加量分别为0.6g/L，0.5g/L，1.0g/L，1.8g/L，吸附平衡时间分别为30min，50min，20min，20min，染液pH为8，8，7，7时为最佳条件。脱色的吸附热力学研究表明，CTS对四种染料的絮凝吸附均可用Langmuir和Freundlich等温吸附模型来描述，其中对直接紫N和分散艳蓝E-4R更符合Langmuir模型，是以单分子层吸附为主，多分子层吸附共存的复杂过程;对活性翠蓝KN-G和中性深黄GL更符合Freundlich模型，是以多分子层吸附为主，单分子层吸附共存的过程。热力学参数结果表明:脱色过程均为自发进行的吸热过程，对直接紫N以化学吸附为主，对活性翠蓝KN-G，中性深黄GL，分散艳蓝E-4R以物理吸附为主，过程均为熵增过程。动力学方程拟合得出，对四种染料的脱色过程均可用准二级动力学方程阐述，活化能分别为47.963kJ/mol，69.730kJ/mol，66.278kJ/mol，79.269kJ/mol，为活化能小，反应速率快，可在常温条件下自发进行的过程。
　　最后，为拓宽CTS的适用范围，将CTS与市售三种絮凝剂聚合氯化铝(PAC)，聚合硫酸铁(PFS)，聚丙烯酰胺(PAM)进行复配，制备了三种复合型絮凝剂:CTS+PAC，CTS+PFS，CTS+PAM。当CTS∶PAC，CTS∶PFS，CTS∶PAM质量比分别为1∶1，3∶2，3∶2时，为最佳复配组合。后考察了投加量，pH，沉降温度对三种复合型絮凝剂出水浊度的影响。当CTS+PAC投加量为60mg/L时高岭土上清液剩余浊度最低，高于对照组CTS和PAC对高岭土的最佳絮凝性能，相对于单一CTS，性能提升了14.2％，适合在弱碱性(pH=8)和中低温条件(20-30℃)下进行;CTS+PFS在投加量为80mg/L时出水浊度最低，絮凝性能高于对照组PFS，但与CTS相当，适合在中性及弱碱性，20-50℃条件下进行;CTS+PAM在投加量为80mg/L时，絮凝性能高于对照组CTS和PAM，相比于单一CTS，性能提升了16.2％，适合在pH=8，20-50℃条件下进行。将三种复合絮凝剂比较结果发现:三种絮凝剂最佳絮凝性能大小为:CTS+PAC≈CTS+PAM＞CTS+PFS，CTS+PAC相比于其他两种复合型絮凝剂，在少剂量条件下，便有优秀的絮凝性能，但CTS+PFS和CTS+PAM相比较CTS和CTS+PAC受pH、温度影响较小，其中CTS+PAM受温度影响较小，CTS+PFS受pH影响较小。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 絮凝剂的概况

1．2．1 无机絮凝剂

1．2．2 有机絮凝剂

1．2．3 微生物絮凝剂

1．2 改性淀粉絮凝剂

1．2．1 阳离子型淀粉絮凝剂

1．2．2 阴离子型淀粉絮凝剂

1．2．3 非离子型淀粉絮凝剂

1．2．4 两性型淀粉絮凝剂

1．3 芋头淀粉

1．3．1 芋头淀粉的提取方案

1．3．2 开发芋头淀粉的意义

1．4 本课题的研究意义与内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

第二章 阳离子型芋头淀粉絮凝剂的半干法制备及其表征

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 实验材料

2．2．2 实验仪器

2．2．3 芋头淀粉的制备

2．2．4 阳离子芋头淀粉絮凝剂(CTS)的制备

2．2．5 淀粉糊液透明度的测定

2．2．6 淀粉溶解度和膨润力的测定

2．2．9 扫描电子显微镜(SEM)

2．3 结果与讨论

2．3．1 反应体系含水量对CTS絮凝性能的影响

2．3．2 反应时间对CTS絮凝性能的影响

2．3．3 反应温度对CTS絮凝性能的影响

2．3．4 醚化剂GTA用量对CTS絮凝性能的影响

2．3．5 碱催化剂NaOH用量对CTS絮凝性能的影响

2．3．6 响应面法优化CTS制备工艺

2．3．7 验证试验

2．3．8 CTS阳离子取代度(DS)的测定

2．3．9 淀粉糊液透明度，溶解度和膨润力的测定

2．3．10 傅里叶变换红外光谱分析

2．3．11 扫描电镜分析

2．4 本章小结

第三章 阳离子型芋头淀粉絮凝剂对印染废水中染料的吸附

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 实验材料

3．2．2 实验仪器

3．2．3 CTS对染料溶液的絮凝脱色

3．2．4 吸附容量的测定

3．3 结果与讨论

3．3．1 四种染料的标准曲线

3．3．2 CTS投加量对染料脱色效果的影响

3．3．3 反应时间对染料脱色效果的影响

3．3．4 初始pH对染料脱色效果的影响

3．3．5 染料初始浓度对脱色效果的影响

3．3．6 CTS对染料絮凝脱色的热力学探究

3．3．7 CTS对染料絮凝脱色的动力学探究

3．4 本章小结

第四章 阳离子型芋头淀粉絮凝剂的复配技术研究

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 实验材料

4．2．2 实验仪器

4．2．3 复配絮凝剂的制备

4．2．4 烧杯混凝实验

4．2．5 浊度的测定

4．3 结果与讨论

4．3．1 浊度标准曲线的绘制

4．3．2 复合型絮凝复配比的确定

4．3．4 CTS+PAC在不同因素条件下对高岭土悬浊液絮凝性能的影响

4．3．5 CTS+PFS在不同因素条件下对高岭土悬浊液絮凝性能的影响

4．3．6 CTS+PAM在不同因素条件下对高岭土悬浊液絮凝性能影响

4．3．7 三种复配絮凝剂在不同因素条件下对高岭土悬浊液的絮凝性能的比较

4．4 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

图表目录

致谢

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