油茶果壳的改性及其对水中染料和重金属吸附特性的研究

摘要

近年来,我国经济发展迅速,随之而来的工业废水的排放量也迅猛增加,水体污染日益严重,水污染问题已成为21世纪影响人类生存与发展的重大问题。利用农林废弃生物质去除污染物废水,是一种经济、高效、环保的水处理技术,已经引起人们的广泛关注。油茶果壳(COS)是油茶榨油后的副产物,一般占整个茶果质量的60％,榨油后一般会被丢弃或作为燃料,资源化利用率非常低。COS的组成成分复杂,含有纤维素、半纤维素、木质素和单宁(多酚)类物质,可以作为生物吸附剂去处理废水。由于COS自身处理废水的性能不是很好,因此,本文通过不同的改性方法以提高COS对污染物的吸附能力。具体研究内容如下:
　　1.研究了COS对结晶紫的吸附特性,考察了COS用量、溶液pH值、结晶紫初始浓度及吸附时间对COS吸附性能的影响。结果表明:在COS用量为0.30 g、结晶紫初始浓度为50 mg·L–1、pH=8.00溶液条件下,T=288 K振荡吸附3 h达到吸附平衡,平衡状态下COS对结晶紫的去除率达到98.01%。用拟一级动力学模型、拟二级动力学模型和内扩散模型分别对动力学数据进行拟合,结果发现COS吸附结晶紫的动力学数据符合拟二级动力学模型,结晶紫初始浓度为40 mg·L–1时,速率常数和相关性系数分别为0.0436 L·mg–1min–1和0.9999。吸附等温线符合Langmuir吸附等温式,随温度在一定范围内升高,最大吸附量增大,且相关性系数均高于0.99,当T=293 K时COS对结晶紫的最大吸附量为26.932 mg·g–1。热力学计算结果表明该吸附过程是一个伴有物理吸附的吸热过程,可自发进行。此外,再生实验结果发现油茶果壳再生7次后,对结晶紫的去除率仍为95%以上。
　　2.以柠檬酸为改性剂,通过固相酯化法制备了一种具有羧基的柠檬酸改性油茶果壳吸附剂(CA-COS),研究了CA-COS对结晶紫的吸附性能。讨论了CA-COS用量、结晶紫初始浓度、溶液pH值、温度、吸附时间、溶液离子强度等因素对溶液中结晶紫去除率的影响。结果表明,随着吸附剂用量的增加,其对结晶紫的去除率逐渐增大,在CA-COS加入量大于0.20 g时,对结晶紫的去除率增加幅度很小。CA-COS对结晶紫的去除率随溶液初始浓度的增加而降低。相同浓度的CaCl2溶液比NaCl溶液对CA-COS吸附结晶紫的影响大,但是,当溶液中钙离子浓度为0.2 mol·L–1时,CA-COS对结晶紫的去除率仍然在95%左右。当CA-COS的用量0.20 g,初始结晶紫浓度150 mg·L–1,pH值为7.00,在T=303 K条件下吸附5 h达平衡后,CA-COS对结晶紫的去除率为98.94%。吸附动力学研究表明,CA-COS对不同浓度的结晶紫的吸附过程皆符合拟二级动力学模型。结晶紫在CA-COS上吸附等温线数据比较符合Langmuir模型,在T=308 K时,对结晶紫的最大吸附量为120.482 mg·g–1。热力学计算结果表明该吸附过程是一个自发、吸热的过程。此外,再生实验结果发现CA-COS再生6次后,对结晶紫的去除率仍为98%以上。研究结果表明,CA-COS是良好的结晶紫吸附剂。
　　3.选用柠檬酸改性油茶果壳(CA-COS)为吸附剂,用于去除水溶液中的重金属铅离子。研究了不同实验参数,如吸附剂的投加量、溶液pH值、铅离子浓度、温度、吸附时间、NaCl浓度。研究结果表明,去除Pb2+的最佳pH值范围是4.5~5.5。在NaCl浓度为0~0.20 mol·L–1时, CA-COS对Pb2+的去除率由88.34%降低至66.13%。CA-COS对Pb2+的去除率随着温度的升高而增加。CA-COS吸附Pb2+是一个快速吸附过程,吸附30 min基本达到吸附平衡,拟二级动力学模型可以很好的描述CA-COS吸附Pb2+的动力学实验数据,相关系数R2均为1.000。CA-COS对Pb2+的吸附符合Langmuir等温模型,温度T=293 K、303 K、313 K条件下,对Pb2+的最大吸附量分别为45.167、48.239、49.652 mg·g–1。热力学计算结果表明该吸附过程是一个吸热过程,可自发进行,且温度越高自发进行的程度越大。再生实验结果表明CA-COS至少可以重复使用7次。
　　4.研究了十六烷基三甲基溴化铵改性油茶果壳(CTAB-COS)对溶液中甲基橙的吸附性能和机理。考察了多种实验因素对吸附的影响,如吸附剂的投加量、溶液pH值、甲基橙溶液的浓度、温度、吸附时间、溶液离子强度。结果表明,甲基橙在CTAB-COS表面的去除率随体系离子强度的增加而显著减小,说明甲基橙的吸附是以静电吸附为主的。CTAB-COS对甲基橙的去除率随溶液pH值的升高而降低。研究发现,COS经CTAB改性后,其表面Zeta电位由负变正,说明表面活性剂在COS表面的吸附使COS表面的电荷性质发生了改变,这也是CTAB-COS对甲基橙发生静电吸附的主要原因。在CTAB-COS加入量为0.40 g,甲基橙的初始浓度为50 mg·L–1,溶液pH为3.00,温度为288 K,振荡吸附5 h达到吸附平衡, CTAB-COS对甲基橙的去除率为96.66%。拟二级动力学模型可以很好地描述CTAB-COS吸附甲基橙的动力学实验数据。在等温吸附分析中,Langmuir模型可以很好的描述甲基橙的吸附行为,在温度为293 K时,CTAB-COS吸附甲基橙的最大吸附量为18.312 mg·g–1。热力学分析表明,CTAB-COS吸附甲基橙是一个自发的,放热过程。

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第一章 绪论

1.1 前言

1.2 染料废水的特点及其危害

1.3 重金属废水的特点及其危害

1.4 含染料废水的处理方法

1.5 含重金属废水的处理方法

1.6 吸附法在废水处理中的应用

1.7 生物吸附剂在废水处理中的研究现状

1.8 本课题研究目的与研究内容

第二章 油茶果壳对水溶液中结晶紫的吸附性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 柠檬酸改性油茶果壳对水溶液中结晶紫的吸附性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 柠檬酸改性油茶果壳对水溶液中Pb2+的吸附性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 CTAB改性油茶果壳对水溶液中甲基橙的吸附性能研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢