褐煤及其干酪根对水中Cr(Ⅵ)的去除机理和吸附剂废弃物的热解特性研究

摘要

吸附是去除水中Cr(VI)的一种常用处理方法，而吸附剂的选择则直接决定去除效果和后续含铬废物的再处理过程。褐煤是煤化程度较低的煤种，因其丰富的孔隙结构和大量的含氧官能团，使其具有吸附、络合、离子交换等功能，是较好的吸附剂选择。目前，已有相关报道证明了褐煤对Cr(VI)有很好的去除效果，但大多数的报道集中于探索最佳吸附条件和寻找最大吸附量，而对于系统、深入地研究去除机理的报道则比较少见，同时对如何进一步处理含铬的煤基吸附剂也缺乏相应关注和解决方案。因此，本文的研究目标是系统地探究褐煤及其干酪根对水中Cr(VI)的去除机理，以及寻找含铬褐煤的最佳处置方案。
　　本文采用序批式的实验方法探究褐煤去除 Cr(VI)的最佳条件，采用 X射线光电子能谱、红外光谱、固体核磁等结构表征方法来分析吸附过程中Cr(VI)的价态变化、褐煤及其干酪根的结构变化，以及还原的Cr(III)与褐煤中含氧官能团的相互作用方式，最后采用热解的方法来处理含铬吸附剂。本文主要结论如下：
　　1.褐煤及其干酪根对Cr(VI)有很好的去除效果，最大吸附量分别可以达到3.38和4.38 mmol/g（pH=1，96 h，25℃）。该去除过程高度依赖于强酸环境，增加温度可以有效提升吸附量，但与其他类型吸附剂相比，褐煤基吸附剂去除Cr(VI)需要更长的反应时间。
　　2.褐煤及其干酪根去除Cr(VI)的机理主要是氧化还原，吸附剂从溶液中吸附的 Cr(VI)大部分被还原成 Cr(III)，褐煤及其干酪根结构中的还原性组分-CH3、-CH2、C-O和Ar-OH等参与了将Cr(VI)还原成Cr(III)的过程，同时自身被氧化成C=O和O-C=O等基团。
　　3. Cr(III)固定的机理主要是：褐煤吸附六价铬后，结构中C=O和O-C=O含量增加，而还原的Cr(III)则主要与上述基团通过相互作用结合在一起，并且受-O-Cr-O结构的控制，电子发生离域。在这些含氧官能团中，C=O和C-O基团中的O原子与Cr(III)结合的同时，伴随着电子密度的降低，而O-C=O基团中的O原子与Cr(III)结合的同时，伴随着电子密度的增加，彼此间最终形成稳定结构。
　　4.在Ar和CO2气氛下，铬对褐煤样品的热解有很好的催化效应，尤其在CO2气氛下，铬催化了CO2和有机质中碳反应去生成CO的过程；且对于脱灰样品中负载的铬，可以通过控制反应时间和温度，来实现完全回收，在本实验条件下（CO2，850℃，150 min），焦炭残渣中Cr2O3的质量分数可以达到94.8％，即XK-Cr样品中的有机质部分几乎分解完全，而铬最终以Cr2O3形式得以完全回收。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景和研究意义

1.2 褐煤基吸附剂

1.3 褐煤基吸附剂对Cr(VI)的吸附研究

1.4 课题的研究目标和主要内容

第二章 实验部分

2.1 实验器材

2.2 样品准备

2.3 定量测试

2.4 表征方法

第三章 褐煤及其干酪根对Cr(VI)的吸附性能研究

3.1 实验部分

3.2 结果与讨论

3.3 本章小结

第四章 褐煤及其干酪根对Cr(VI)的去除机理研究

4.1 实验部分

4.2 结果与讨论

4.3 本章小结

第五章 Cr(III)的固定机理研究

5.1 实验部分

5.2 结果与讨论

5.3 本章小结

第六章 负载铬离子的固体废弃物热解特性研究

6.1 实验部分

6.2 结果与讨论

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 不足与展望

参考文献

致谢

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