苎麻麻骨吸附重金属机理及吸附材料的制备

摘要

重金属废水与农林废弃物同属环境废物，直接排放，对环境安全隐患突出，特别是重金属废水，一旦排入环境中，将造成严重的环境污染，危害性极强。低浓度重金属废水（<100mg/L）的处理难度大，易被忽视，对其治理工作一直以来是世界环保领域的热点和难点。我国是农业大国，随着科技的发展，农林废弃物的产量越来越多，绝大部分被直接丢弃于田间地头，如此简单处理造成巨大浪费。农林废弃物是可利用的再生资源，因此，开展针对低浓度重金属废水的深度净化及农林废弃物综合利用等的相关研究对实现资源的循环利用及可持续发展具有重要意义。
　　有关农林废弃物吸附重金属的研究为数不少，但对其吸附机理的探讨一直是学界争论的热门话题，迄今为止，尚未有明确的结论；本研究以天然苎麻麻骨为原料，深入探索吸附重金属Cu2+和Cd2+全过程的影响因素、吸附行为，并通过动态和静态试验分别对吸附过程进行模型拟合，利用多种表征手段对相关过程的吸附剂进行表征，以期揭示吸附机理。此外，以农林废弃物制备相关吸附材料，是其应用的首要条件，将苎麻麻骨加工成水分散苎麻麻骨饼，为农林废弃物的应用提供参考。主要研究结果如下：
　　1、利用SEM、FTIR、TAG等手段，对苎麻麻骨结构和外观等物理性质进行了观察分析，并测定了其主要化学成分及含量，并以实验室模拟Cd2+废水为吸附质，通过热力学、动力学的计算和模拟揭示麻骨重金属Cd2+的吸附机理。结果显示，苎麻麻骨主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，三种成分占干重的86.58％，麻骨为具一定空隙的天然生物质材料，孔壁表面光滑，麻骨表面积为1.05m2/g，绝大多数孔径分布介于20-50nm之间，麻骨表面分布着大量与吸附相关的氨基、羧基、羟基、醚基、酯基等多种官能团，这些基团绝大部分为惰性基团，通常情况下不参与吸附过程，活性基团占基团总数不到10%，其密度为4.10×10-4mol﹒g-1，惰性基团在一定条件下可转化为活性基团，从而影响吸附过程。麻骨静态吸附Cd2+和Cu2+的过程与Langmuir和Freundlich模型均有较好的拟合性，是由于活性吸附位点在麻骨表面的分布比较均匀，部分惰性官能团选择性地参与吸附重金属的过程所造成。对动力学的研究表明，麻骨吸附Cu2+和Cd2+的过程即满足一级动力学过程又符合二级动力学模型，也与部分惰性官能团参与吸附过程有关。
　　2、利用软件MINEQL+4.6双层模型拟合软件对麻骨吸附Cu2+的过程进行拟合。结果表明，麻骨吸附重金属离子的过程主要机理为络合作用，也伴随部分沉淀作用及电荷吸附作用，pH值通过影响重金属离子的存在状态而影响吸附机制，对麻骨吸附重金属离子影响较大。吸附过程不仅发生在麻骨表面，部分重金属离子通过内扩散方式进入麻骨内部而被固定。表面吸附过程以单层吸附为主，部分区域也存在多层吸附现象，这是由于麻骨表面凹凸不平的结构和性质决定的。
　　3、动态吸附过程表明，麻骨填层厚度、重金属溶液初始浓度、pH及流出速度对吸附穿透曲线均具有较大的影响。麻骨吸附Cu2+和Cd2+的过程呈现相似的规律，流速越大、浓度越大、吸附层厚度越大、穿透时间越短，越易被穿透。在实际应用中，设定穿透时间需考虑饱和吸附量及出水口水质标准。Tomas、BDST及Yoon-Nelson三种模型均能较好的描述动态吸附过程，因此，可以利用以上三种模型准确预测穿透时间、在设定流速和浓度方面及设计建造试验工艺设备方面为工艺设计者提供参考。
　　4、对麻骨水溶物成分进行分析，结果显示，溶出物中共检测出19种成分，以酮类和酯类为主，分别占所提取物质含量的14.82%和75.38%，表明在通常状况下，麻骨表面显电中性。麻骨溶出物的溶出量性质受外界因素干扰较大，溶液pH值、溶液温度、溶出时间、ρ(Cd2+)、麻骨粒径等均能影响麻骨表面物质的溶出，以温度和麻骨粒径对溶出量的影响最大，温度越高，溶出物越多，故在实际应用中，麻骨粒径及温度是控制麻骨DOC溶出量的关键因素。
　　5、将苎麻麻骨加工成水分散苎麻麻骨饼（WDRSC），可提高苎麻麻骨对重金属的吸附量，试验中所制WDRSC的配方为（质量比）：润湿剂（13%）+黏结剂（2%）+崩解剂（10%）+苎麻麻骨（75%）。该产品入水后可迅速被水润湿并自动分散成悬浮液，在较短的时间内使麻骨与重金属废水充分接触并混合。对Cu2+和Cd2+的去除率分别提高了11%和4%，各种助剂均为环境友好型天然物质，无二次污染，在提高麻骨吸附性能过程中具有重要作用。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 重金属污染废水及治理方法

1.3 农林废弃物作为吸附材料现状

1.4 吸附机理

1.5 本研究的意义、内容、路线

第二章 苎麻麻骨对Cd2+的吸附行为研究

2.1 引言

2.2 试验部分

2.3 结果与讨论

2.4 pH的影响

2.5 吸附等温线

2.6 麻骨吸附Cd2+热力学分析

2.7 小结

第三章 苎麻麻骨吸附Cu2+的机理探讨

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 苎麻麻骨吸附Cu2+的机制

3.5 吸附机理示意图

3.6 小结

第四章 苎麻麻骨对Cu2+、Cd2+的动态吸附试验

4.1 引言

4.2 试验部分

4.3 结果与分析

4.4 动态吸附处理模型

4.5 小结

第五章 麻骨溶出物影响因素分析及成分鉴定

5.1 引言

5.2 试验部分

5.3 结果与分析

5.4 讨论

5.5 小结

第六章 水分散苎麻麻骨饼的制备及其应用

6.1 引言

6.2 试验部分

6.3 结果与讨论

6.4小结

第七章 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 不足和展望

7.3 本文的创新点

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果