以纤维为造孔剂的粉煤灰基吸附材料制备及其对染料的吸附性能研究

摘要

印染废水具有色度高、溶解性高、可生化性差等特点，大量印染废水排入水体，不仅给环境造成了巨大损害，还对人类健康构成了极大威胁。吸附技术因其操作简单、成本低、周期短等优点备受关注。活性炭具有比表面积大、孔隙发达等特点，是国内外最常用的吸附剂，但其孔径较小，一般小于2nm，不利于染料分子的吸附。粉煤灰是火力发电厂的固体废弃物和副产品，主要成分是SiO2和Al2O3，本身具有大量微孔和很高的比表面积，可以用作吸附剂。造纸污泥是处理制浆造纸废水的副产物，有机物含量丰富，含有大量细小纤维，以造纸污泥制备得到造纸纤维，加热过程中其中的纤维素、半纤维素和木质素热解产生大量气体，可作为造孔剂。
　　本实验以粉煤灰为骨料、膨润土为粘结剂、造纸纤维为造孔剂，使用颗粒机挤压成型后干燥，并用气氛烧结炉烧结制备得到具有一定机械强度、低成本、高吸附性能的粉煤灰基造纸纤维造孔剂吸附材料(Granular adsorbent based on flyash with fiber as pore-forming agent，GAFF)，并将其应用于亚甲基蓝和龙胆紫染料废水的处理。本试验内容主要包括GAFF的制备，GAFF对亚甲基蓝和龙胆紫的吸附研究和GAFF与活性炭性能对比及其表征。
　　GAFF制备流程为:(1)分散造纸污泥制备造纸纤维;(2)纤维悬浮液离心;(3)湿式混合原材料;(4)快速烘干材料至原重;(5)粉碎材料，干式混合原材料;(6)机械挤压成型;(7)低温脱水干燥;(8)烧结。首先，采用超声波法处理造纸污泥制备纤维，使用倒置荧光显微镜观察浆液浓度、超声功率和超声时间对纤维分散程度的影响，最终确定当浆液浓度为0.2g/100mL，超声功率为400W，超声时间为15min时制备的纤维分散程度最好。其次，材料成型后的干燥阶段也至关重要，为了防止材料干燥阶段出现裂痕，影响GAFF的吸附性能，本试验以亚甲基蓝和龙胆紫染料吸附量和材料散失率为指标，比较五种不同的干燥制度，并最终确定最佳干燥制度为室温下烘干24h后，依次置于70℃、105℃的烘箱中12h。然后，通过单因素实验研究了烧结温度、粉煤灰:膨润土比例、造纸废渣添加比和升温速率对GAFF吸附性能的影响，并为正交试验各因素确定合适的水平值。最后，设计四因素三水平正交试验，以龙胆紫吸附量和散失率为指标，确定GAFF最佳的制备条件为:烧结温度为630℃，粉煤灰:膨润土比例为2∶1，造纸废渣添加比为3％，升温速率为0.2℃/min。
　　亚甲基蓝和龙胆紫染料是常见的碱性阳离子染料，具有分子量相似但分子结构不同的特点，可用于比较吸附质结构对吸附量的影响。此外，该两种染料应用广泛，对环境和人体健康造成危害。本研究使用自制吸附材料GAFF处理以上两种染料，并研究了溶液初始pH、染料浓度和反应温度对吸附过程的影响。实验结果表明，当pH值小于5时，pH值对GAFF吸附量有很大影响;当pH值大于5时，pH值对GAFF吸附量影响较小;升高反应温度及增大染料初始浓度，吸附量也随之增大。并且当溶液pH值为7，反应温度为50℃时，GAFF对亚甲基蓝和龙胆紫的最大吸附量分别是216.57mg/g、682.59mg/g。本试验采用Langmuir、Freundlich和Tempkin吸附等温线拟合吸附数据，通过比较R2值可以得出Langmuir等温线更适合拟合GAFF对两种染料的吸附。使用拟一级动力学、拟二级动力学和颗粒内扩散模型拟合数据后发现该吸附过程更符合拟二级动力学方程。吸附热力学研究表明，GAFF对亚甲基蓝和龙胆紫染料的吸附能够自发进行，物理吸附起主导作用。
　　将GAFF与活性炭GAC1、GAC2进行SEM/EDX表征、比表面积及孔径分布测试和吸附亚甲基蓝和龙胆紫研究。SEM/EDX结果表明GAFF表面存在大量不规则的孔，而GAC1和GAC2表面皆是小孔。GAFF与活性炭GAC1、GAC2的比表面积分别是19.54m2/g、1166.95m2/g、755.22m2/g，平均孔径分别是90.10nm、2.27nm、0.47nm。GAFF与活性炭GAC1、GAC2对亚甲基蓝的吸附量分别是200.20mg/g、362.78mg/g、256.01mg/g，对龙胆紫的吸附量分别是474.27mg/g、312.99mg/g、230.61mg/g。以上结果表明，比表面积不是衡量吸附量的唯一因素，吸附剂的孔径分布和吸附质结构也是不可忽视的重要因素。此外，XRD测试结果表明，GAFF煅烧前、煅烧后和吸附后物相组成没有发生改变。FTIR结果表明，GAFF对亚甲基蓝和龙胆紫的吸附以物理吸附为主。

目录

声明

摘要

0 前言

1 综述

1．1 染料废水的污染现状

1．1．1 染料废水的来源、特点及危害

1．1．2 染料废水的处理方法

1．2 粉煤灰的性质及利用现状

1．2．1 粉煤灰的性质

1．2．2 粉煤灰的利用现状

1．3 造纸污泥的产生及资源化利用

1．3．1 造纸污泥的分类及组成

1．3．2 造纸污泥的利用现状

1．4 吸附机理

1．5 研究内容

2 GAFF的制备及优化

2．1 实验材料与方法

2．1．1 实验材料及仪器

2．1．2 实验方法

2．2 结果与分析

2．2．1 利用造纸污泥制取纤维正交实验分析

2．2．2 原材料添加比例对GAFF吸附性能的影响结果

2．2．3 干燥脱水制度的确定

2．2．4 烧结制度对GAFF吸附性能的影响结果

2．2．5 制备GAFF的正交试验结果

2．2．6 验证实验

2．3 本章小结

3 GAFF对亚甲基蓝的吸附性能研究

3．1 实验材料与方法

3．1．1 实验材料及仪器

3．1．2 实验方法

3．2 实验结果与分析

3．2．1 初始pH对GAFF吸附性能的影响

3．2．2 染料浓度对GAFF吸附性能的影响

3．2．3 温度对GAFF吸附性能的影响

3．2．4 吸附等温线

3．2．5 吸附动力学

3．2．6 吸附热力学

3．3 本章小结

4 GAFF对龙胆紫的吸附性能研究

4．1 实验材料与方法

4．1．1 实验材料与仪器

4．1．2 实验方法

4．2 实验结果与分析

4．2．1 初始pH对GAFF吸附性能的影响

4．2．2 染料浓度对GAFF吸附性能的影响

4．2．3 温度对GAFF吸附性能的影响

4．2．4 吸附等温线

4．2．5 吸附动力学

4．2．6 吸附热力学

4．3 本章小结

5 GAFF与活性炭的对比及其表征

5．1 实验材料与方法

5．1．1 实验材料与仪器

5．1．2 实验方法

5．2 实验结果与分析

5．2．1 GAFF与活性炭GAC1、GAC2对亚甲基蓝的吸附结果对比

5．2．2 GAFF与活性炭GAC1、GAC2对龙胆紫的吸附结果对比

5．2．3 GAFF表征测试结果

5．3 本章小结

6 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

致谢

个人简历

参与科研课题情况

发表的学术论文