改性膨润土在废水污染物处理和回收利用中的应用研究

摘要

本论文以处理和回收利用废水污染物为目标，通过新工艺合成了三种不同类型的改性膨润土（聚合改性膨润土、膨润土表面离子印迹聚合物、接枝改性膨润土），可作为处理剂应用于废水处理流程的不同工段，为一类兼具净化水质和污染物回收利用双重功能的新型膨润土吸附剂的研发和应用提供了新的思路和材料基础。研究了有机/无机配比和处理温度等参数与改性膨润土结构和重金属离子吸附性能间的关联调控规律，揭示了改性膨润土对目标金属离子的选择性吸附规律，将改性膨润土应用于处理造纸污泥和将处理后污泥用于造纸生产过程的基本工艺，为改性膨润土的实用化提供了新的技术途径和理论积累。
　　本论文主要取得以下创新性成果:
　　(1)以有机单体丙烯酰胺与钠化膨润土进行原位聚合，再经过（微波）加热，部分有机聚合物被去除或碳化，提高改性膨润土的层间距和比表面积制备了聚合改性膨润土。应用聚合改性膨润土吸附处理重金属废水，吸附能力明显提高，有机/无机复合及加热处理温度是影响改性膨润土吸附性能的关键因素。研究了聚合改性膨润土处理混合金属离子的过程，考察了吸附竞争机理，吸附过程符合Langmuir等温模型或者拓展Langmuir等温模型，并符合准二级动力学公式。
　　(2)以膨润土为中心，重金属离子作为“模板”离子，合成了表面离子印迹聚合物。离子印迹聚合物形成了对“模板”离子具有识别功能的空位点，对目标金属离子的选择性很高。这些空位点分布在聚合物的表面，与金属离子的接触性能好，吸附性能明显提高(0.22＜RL＜0.59)，吸附过程符合准二级动力学方程，吸附反应可以自发进行。同时，吸附过程是吸热过程，随着温度升高，△Go降低。由于离子印迹聚合物可以多次重复使用以及对目标离子的高度选择性吸附，故可广泛应用于富集废水中的重金属离子，并实现回收利用。
　　(3)制备了AM接枝改性膨润土和CTAC改性膨润土，并将其应用于处理造纸污泥，研究了处理后的造纸污泥回用于造纸生产的基本工艺。研究表明，AM接枝改性膨润土处理造纸污泥回用于造纸生产具有比CTAC改性膨润土更好的性能，前者制备的纸张纸张的物理指标(匀度3.85g·m-2，抗张强度30.75N·m·g-1，环压强度8.31N·m·g-1以及耐破强度1.54KPa·m2·g-1)与未回用污泥的纸张相近。研究了聚合物分子量、污泥回用量对回收利用造纸工艺的影响，通过调控接枝PAM分子量、改性膨润土添加量、污泥添加量等，可有效控制优化添加回用污泥纸张的品质。结果表明，最优的PAM分子量是400000万，AM接枝改性膨润土的最优使用量是0.20wt％，污泥最大回用量是3.0wt％，其中，乳液状净化剂对污泥的处理效果好于粉末状净化剂。接枝改性膨润土处理造纸污泥，提高了造纸原料的利用率，减少了污染物的排放，对于节能减排具有重要的意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 问题的提出与研究意义

1．3 本文工作

第二章 膨润土及其在环境保护中的应用研究进展

2．1 膨润土的概念

2．1．1 膨润土的矿物学特征

2．1．2 膨润土的特性

2．2 膨润土改性

2．2．1 膨润土的钠化改性

2．2．2 活化改性

2．2．3 其它无机改性

2．2．4 膨润土有机改性

2．2．5 膨润土有机-无机复合改性

2．3 膨润土在环境保护领域的应用

2．3．1 膨润土在废水处理中的应用

2．3．2 土壤和地下水污染的防止及修复

2．3．3 用膨润土进行核废料处理的消毒防护

2．3．4 其他应用

第三章 实验研究方法

3．1 实验材料

3．2 实验方法

3．2．1 膨润土的钠化改性

3．2．2 表面离子印迹聚合物的制备

3．3 性能表征

3．3．1 膨润土性能指标检测

3．3．2 物相分析

3．3．3 FE-SEM扫描电镜观察

3．3．4 红外光谱测试

3．3．5 膨润土阳离子需求量(CEC)检测

3．3．6 有机碳测定方法

3．3．7 纤维含量的测定

3．3．8 纸页样品的抄造

3．3．9 颗粒电荷检测仪

第四章 聚合改性膨润土吸附重金属离子

4．1 材料与方法

4．1．1 材料

4．1．2 方法

4．2 结果与讨论

4．2．1 膨润土样品分析

4．2．2 pH的影响

4．2．3 无机／有机聚合比例的影响

4．2．4 不同加热工艺对吸附剂性能的影响

4．2．5 金属离子去除率研究

4．2．6 金属离子等温吸附

4．2．7 金属离子的吸附动力学

4．3 小结

第五章 表面离子印迹聚合物选择性吸附金属离子

5．1 材料和方法

5．1．1 材料

5．1．2 Zn离子印迹聚合物的制备

5．1．3 吸附实验

5．1．4 解吸和重复应用实验

5．2 结果和讨论

5．2．1 样品表征

5．2．2 优化pH值

5．2．3 吸附动力学

5．2．4 等温吸附以及吸附剂浓度(Ca)的影响

5．2．5 热力学研究

5．2．6 离子印迹聚合物对Zn离子的选择性吸附

5．2．7 解吸附和重复使用

5．2．8 离子印迹聚合物与其它改性膨润土吸附性能比较

5．2．9 离子印迹机理

5．3 小结

第六章 接枝改性膨润土应用于造纸污泥回用

6．1 材料与方法

6．1．1 材料

6．1．2 污泥净化剂制备

6．1．3 改性膨润土的分析

6．1．4 造纸污泥分析

6．1．5 用改性膨润土处理造纸污泥并回用于造纸过程

6．2 结果与讨论

6．2．1 造纸污泥成分

6．2．2 改性膨润土分析

6．2．3 回用造纸污泥后，浆料和纸张的性质指标

6．2．4 相对分子量的影响

6．2．5 最大污泥回用量

6．2．6 与常用的絮凝剂比较

6．2．7 乳液状污泥净化剂与粉末状污泥净化剂比较

6．3 小结

第七章 结论、创新点及展望

7．1 研究结论

7．1．1 聚合改性膨润土对重金属离子的吸附性能

7．1．2 离子印迹聚合物对目标金属离子的选择性吸附

7．1．3 接枝改性膨润土处理造纸污泥并回用于造纸生产

7．2 创新点

7．3 展望

缩写词清单

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果