改性稻秆吸附剂表征及处理亚甲基蓝溶液的吸附性能研究

摘要

论文利用农业废弃物稻秆为原料，对其进行化学改性以及利用复合菌系进行生物改性，制备染料吸附剂。通过实验室的静态实验，采用多种分析方法研究改性前后稻秆的比表面积、结构形貌、纤维素、半纤维素和木质素成分等物理结构及化学性质，以及pH值、吸附剂投加量、初始浓度和温度对稻秆吸附剂处理亚甲基蓝染料溶液的吸附性能影响，建立吸附热力学及吸附动力学模型。主要研究内容及结果如下：
　　 1.稻秆化学及生物改性后物理结构及化学性质的变化。采用多种仪器及分析方法对改性前后稻秆的物理结构和化学性质进行表征，结果表明，稻秆经化学及生物改性后，失重率都不同程度的增加，其中，碱化稻秆生物改性后的失重率最高，达47.3％。稻杆改性后的纤维素、半纤维素和木质素含量也都发生明显变化，碱化稻秆生物改性后的半纤维素降解率也最高，从21.3％降至0.9％。改性后，稻杆的色泽变浅，纤维明显变细，质地变得柔软。而且，经生物改性后，稻秆孔隙增多，微孔结构得到改善，比表面积增大，稻杆经超声生物改性后，比表面积由3.9 m2/g增加到6.9m2/g。稻杆改性后，化学结构发生了改变，纤维素、半纤维素与木质素之间连接的氢键被打断，-OH、-COOH、-OCH等基团游离，含量增加。
　　 2.化学及生物改性稻杆的吸附性能。用改性稻杆吸附亚甲基蓝溶液，结果表明，碱化、氨化、超声波改性和复合菌系生物改性稻杆吸附剂处理亚甲基蓝溶液的吸附性能优于原始稻杆吸附剂。碱化改性稻杆吸附量最高，为52.91mg/g，远高于原始稻杆15.625 mg/g的吸附量。碱化改性稻杆再经生物改性后，吸附量进一步得到提高，最大吸附量达56.083 mg/g。
　　 3.pH、投加量、初始浓度、温度对改性稻秆吸附剂处理甲基蓝溶液性能的影响。研究表明，pH值增加吸附率增加。pH为12时，改性稻秆对亚甲基蓝染料的吸附率最高；吸附剂投加量为2～10g/L范围内，吸附剂投加量增加，吸附率增加，原始稻秆吸附剂最佳投加量为6g/L，碱化、氨化和超声改性稻秆吸附剂最佳投加量为4 g/L；随着亚甲基蓝溶液初始浓度增加，吸附率增加；温度升高，吸附量增加，升高温度可以提高吸附效果。
　　 4.吸附热力学研究。碱化、氨化、超声波改性和复合菌系生物改性稻秆吸附剂处理亚甲基蓝溶液的吸附等温线能很好的符合Freundlich吸附等温式，稻秆吸附剂处理亚甲基蓝溶液的吸附介于单分子层和多分子层之间，稻秆吸附剂吸附表面的不均匀性对吸附过程有一定影响。碱化、氨化、超声波改性和复合菌系生物改性稻秆吸附剂处理亚甲基蓝溶液的吸附过程的焓变△H均为正值，稻秆吸附剂处理亚甲基蓝溶液的吸附是一个吸热过程，升高温度有利于吸附进行。在不同吸附温度及吸附浓度下，稻秆吸附剂吸附亚甲基蓝的吉布斯自由能△G均为负值，表明稻秆吸附剂处理亚甲基蓝溶液的吸附过程是自发进行的。在不同吸附温度及吸附浓度下，稻秆吸附剂吸附亚甲基蓝熵变△S均为正值，表明反应体系处于比较无序的状态。
　　 5.吸附动力学的研究。碱化、氨化、超声波改性和复合菌系生物改性稻秆吸附剂处理亚甲基蓝溶液的吸附是一个快速吸附过程。伪二级动力学方程能很好的描述碱化、氨化、超声波改性稻杆吸附剂吸附亚甲基蓝溶液的吸附过程，吸附速率主要受液膜扩散控制。颗粒内扩散方程和伪二级动力学方程能很好的描述复合菌系生物改性稻秆吸附剂处理亚甲基蓝溶液的吸附过程，吸附速率主要受颗粒内扩散和液膜扩散控制。
　　 学位论文为染料废水的处理提供了一种新的高效、低成本处理思路；拓宽了利用农业废弃物制备水处理吸附剂的研究方法；利用复合菌系生物法改性稻杆，为木质纤维素的经济、合理、高值化的利用提供一条新的途径。