餐厨垃圾水热炭的制备及对六价铬和布洛芬的吸附研究

摘要

餐厨垃圾(food waste)具有资源和废物的二重性，适当地利用现有的技术对其进行资源化处理可带来经济、环境与社会效益。水热炭化技术可以将有机垃圾转化为功能性碳素材料，受到研究学者的关注。本文针对餐厨垃圾含水率高、有机物含量高、产量大等特点，以资源化利用为目的，开展餐厨垃圾水热炭化的理论与应用研究。主要研究内容和成果如下：　　①研究水热炭化原料的化学组成对水热炭产物理化性质的影响。结果表明：水热炭化的主要产物是水热炭与水热液，气体仅占极小的比重。碳水化合物是促进水热炭形成的重要组分。蛋白质无法单独形成水热炭，但可以与碳水化合物发生美拉德反应，参与水热炭化过程，并且最终在炭表面形成了丰富的含N官能团。脂类无法单独产生水热炭和气体，也没有直接参与水热炭化反应，仅仅在水热过程中降解为低分子的脂肪酸和甘油类物质附着在水热炭的表面，并且由此增加了水热炭的回收率。　　②在制备餐厨垃圾水热炭的基础上，通过KOH活化法制备了改性水热炭。实验结果表明：改性水热炭的比表面积和微孔体积分别高达2220.50m2/g和0.82cm3·g-1，具有明显的微孔结构(V微孔/V总孔=97.96%)，表面含有丰富的含氧官能团、含N官能团和芳香族化合物。　　③以制备的改性水热炭为吸附剂，六价铬为吸附质，探究水热炭吸附六价铬的性能和机理。结果表明：水热炭吸附六价铬的行为主要是化学吸附，包括氧化还原、离子交换、与官能团络合作用，同时也存在物理吸附。改性水热炭吸附六价铬的过程是自发的吸热反应，不需要外界输入能量，而且升高温度有利于吸附的进行。在35℃、pH=2的条件下，六价铬的最大吸附容量为327.72mg/g。人工神经网络模型可以很好地预测六价铬的吸附容量和去除率(R＞0.99)。　　④为了解改性水热炭对有机化合物的吸附效果，选择了新型污染物布洛芬为吸附对象开展静态吸附实验，探究改性水热炭吸附布洛芬的性能和机理。结果表明：改性水热炭吸附布洛芬的行为主要是物理吸附，同时存在π-π作用、氢键作用、离子交换等化学吸附。改性水热炭吸附布洛芬的过程是自发的放热反应，不需要外界输入能量，而且升高温度不利于吸附。在35℃、pH=2的条件下，布洛芬的最大吸附容量为629.06mg/g。人工神经网络模型可以很好地预测布洛芬的吸附容量和去除率(R＞0.98)。

目录

1 绪 论

1.1.1 餐厨垃圾特性和产量

1.1.2 餐厨垃圾处理方法

1.2 水热炭化法概述

1.2.1 水热炭化法的发展

1.2.2 水热炭化过程机理研究

1.3.1 重金属的产生和危害

1.3.2 重金属污染的治理方法

1.3.3 新型污染物的产生和危害

1.3.4 新型污染物的治理方法

1.4.1 吸附基础理论

1.4.2 水热炭吸附重金属机理研究

1.4.3 水热炭吸附有机物机理研究

1.5 人工神经网络概述

1.5.1 人工神经网络的发展

1.5.2 人工神经网络的应用

1.6.1 研究意义

1.6.2 研究内容

1.6.3 技术路线

2 餐厨垃圾化学组成对水热炭理化性质的影响研究

2.1 引言

2.2.1 实验原料

2.2.2 实验仪器与试剂

2.2.3 实验方法

2.2.4 水热炭的制备

2.3 结果与讨论

2.3.1 有机组分对水热炭产率和物理结构的影响

2.3.2 有机组分对水热炭化学性质的影响

2.3.3 化学组成与水热炭的理化性质关联分析

2.4 本章小结

3 改性水热炭对六价铬的吸附机理研究

3.1 引言

3.2.1 实验原料

3.2.2 实验仪器与试剂

3.2.3 活化水热炭的制备和表征

3.2.4 六价铬标准曲线的绘制

3.2.5 六价铬吸附实验

3.2.6 人工神经网络模型

3.3 实验结果与分析

3.3.1 改性水热炭比表面积与孔特征

3.3.2 吸附前后水热炭的化学表征

3.3.3 pH值的影响

3.3.4 吸附等温线模型

3.3.5 吸附动力学

3.3.6 吸附热力学

3.3.7 人工神经网络建模

3.4 本章小结

4 改性水热炭对布洛芬的吸附机理研究

4.1 引言

4.2.1 实验原料

4.2.2 实验仪器与试剂

4.2.3 布洛芬标准曲线的绘制

4.2.4 布洛芬吸附实验

4.2.5 人工神经网络模型

4.3 结果与讨论

4.3.1 吸附前后水热炭的化学表征

4.3.2 pH值的影响

4.3.3 吸附等温线模型

4.3.4 吸附动力学

4.3.5 吸附热力学

4.3.6 人工神经网络建模

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 创新之处

5.3 展望

参考文献

附录

A. 实验过程中部分数据

B. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

C. 学位论文数据集

致谢