收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

利用农业秸秆制备阴离子吸附剂及其性能的研究

王宇  
【摘要】: 在综合国内外大量相关文献的基础上,本论文选用农业秸秆中的小麦秸秆和玉米秸秆为原料,对其进行化学改性制备了一系列阴离子交换剂,并通过对水溶液中硝酸根、磷酸根吸附性能的研究,考察了其改性秸秆的吸附性能。本研究使用多种分析方法,如BET-N_2吸附法、微电泳测定技术、元素分析技术、红外光谱分析、XRD衍射分析和扫描电镜技术等,对改性前后农作物秸秆的比表面积、表面电荷、组成元素、结构形貌进行了表征及研究,探讨了改性合成的机理。通过实验室的静态实验,考察了在不同投加量、pH、温度、初始浓度条件下,改性秸秆对阴离子吸附效果的影响,并对吸附热力学及吸附动力学原理进行了研究。同时,对改性秸秆的再生技术进行了研究,并对实际废水的处理效果进行了试验。主要研究内容及结果如下; 1.农作物秸秆的化学改性。使用环氧氯丙烷、二甲胺及吡啶,以N,N-二甲基甲酰胺为反应介质,对农作物秸秆进行了改性。反应物料配比、各反应阶段的反应温度和反应时间等因素影响改性秸秆的性能和吸附效果。 2.农作物秸秆化学改性的机理。使用纯纤维素和纯木质素对秸秆的改性条件及改性机理进行了研究,并重点研究了小麦秸秆的最佳改性条件。研究表明,秸秆的改性机理是环氧氯丙烷先与秸秆中的纤维素、木质素及其它组分中的羟基集团发生醚化反应,生成多集团的3-氯-2-羟丙基醚,然后在吡啶的催化作用下,3-氯-2-羟丙基醚进行脱氢反应,与二甲胺发生叔胺化反应和接枝反应,生成含氮纤维素醚。由于改性后的秸秆中接入了叔胺基团,叔胺基团的所带的正电荷使得改性后农作物秸秆的表面电性发生了变化。同时,高温及碱性的改性条件也造成了秸秆中的部分半纤维素、灰分及可抽取物的溶出,使改性秸秆的物理结构及化学性质发生了一定的变化。 3.改性农作物秸秆的物理结构及化学性质的变化。使用多种分析仪器及方法对改性农作物秸秆的物理结构及化学性质进行了表征。在结构形貌方面,扫描电镜观察表明,改性后秸秆的表面更加光滑,纤维纵向出现较多空腔;改性前及改性后农作物秸秆的比表面积均低于0.1 m~2·g~(-1),说明农作物秸秆对阴离子的吸附类型为凝胶型吸附。在表面电性方面,改性前秸秆带负电荷,改性后表面带正电荷,由-30mV变为+40mV左右。在元素含量方面,元素测定仪测定的改性后秸秆的含氮量为3.5%,约是改性前秸秆含氮量的10倍,相应的理论交换量也增大了约10倍。IR图谱分析表明,改性前农作物秸秆与改性后农作物秸秆的化学结构没有大的改变,改性农作物秸秆在1350cm~(-1)处有强吸收峰,为C-N叔胺的特征振动,说明改性农作物秸秆已经引入叔胺集团。X射线衍射图分析表明,衍射曲线中主峰和次峰的高度明显增加,改性后农作物秸秆的结晶程度增大,说明了改性秸秆中由于部分半纤维素、灰分及可抽取物的溶出造成了纤维素排列有序度的增加。改性农作物秸秆的物理结构及化学性质的变化,使得改性农作物秸秆对水溶液中的硝酸根、磷酸根等阴离子有较强的吸附能力。 4.反应条件(投加量、pH、温度、初始浓度等)对改性秸秆吸附阴离子效果的影响。研究了不同的反应条件对吸附效果的影响,研究表明,随着投加量的提高,改性秸秆对水溶液中阴离子的去除率也随之提高,投加量增加到一定程度,去除率变化不大,当投加量为固液比8g·L~(-1)时,改性农作物秸秆对水溶液中硝酸根、磷酸根等阴离子具有较好的吸附效果。pH值的提高有利于改性秸秆对阴离子的吸附,pH值在5~10的较宽范围内,改性秸秆对硝酸根、磷酸根的去除率达到90%以上。在不同的初始浓度条件下,改性农作物秸秆对水中硝酸根、磷酸根的吸附动力学曲线有相同的趋势,是一个快速吸附过程,30min内即可达到吸附平衡。随着温度的提高,改性秸秆吸附阴离子效果稍有下降,说明改性秸秆对阴离子的吸附是放热反应,降低温度可以提高吸附效果,从吸附热的数值看,温度对吸附效果的影响不大,这就使得改性农作物秸秆能在不同的季节使用并能取得较好的吸附效果。 5.吸附热力学研究。使用吸附热力学模型研究改性秸秆的吸附性能,研究表明,改性秸秆对硝酸根、磷酸根的吸附等温线均符合Langmuir和Freundlich两种吸附等温模式,但对Freundlich吸附等温式的符合程度更好,说明了改性秸秆对硝酸根、磷酸根的离子吸附介于单分子层和多分子层之间,同时表明改性秸秆的吸附表面是不均匀的。与改性前农作物秸秆相比,改性后农作物秸秆对水中硝酸根、磷酸根的吸附量大大增加;改性小麦秸秆对水溶液中硝酸根、磷酸根的最大吸附容量分别为2.42mmol·g~(-1)、2.38 mmol·g~(-1),吸附效果优于改性玉米秸秆,也优于文献记载的其他生物吸附材料的最大吸附容量。吸附过程的焓变△H<0,并且随吸附量的增加而增加,表明改性秸秆对阴离子的吸附是一个放热过程。吸附吉布斯自由能△G<0,说明改性秸秆对阴离子的吸附过程是自发进行的。熵变△S<0,说明经过改性秸秆对水溶液中阴离子的吸附,降低了水溶液体系的混乱度,使整个水溶液体系的有序性得到增强。 6.吸附动力学研究。使用吸附动力学模型研究改性秸秆的吸附性能,研究表明,改性秸秆对水溶液中硝酸根、磷酸根的吸附是一个快速吸附过程,吸附过程主要符合伪二级动力学方程和颗粒内扩散方程。吸附速率主要受颗粒内扩散控制。随着初始浓度的增大,伪二级动力学吸附速率常数逐渐减少,颗粒内速率扩散常数逐渐增大。水溶液中硝酸根、磷酸根及其它阴离子共存的竞争吸附吸附试验表明,改性秸秆对水溶液中的其它阴离子也有较好的吸附效果,不同阴离子竞争吸附的顺序为SO_4~(2-)>H_2PO_4~->NO_3~->NO_2~-。改性秸秆吸附水溶液中的硝酸根、磷酸根所需活化能很小,吸附过程中的吸附热也很小,属于物理吸附;改性秸秆对水中阴离子的吸附主要通过秸秆骨架上的叔胺集团与阴离子之间的静电引力完成的。 7.改性秸秆再生技术研究。改性秸秆在使用一段时间后,由于吸附杂质的增多,吸附孔径的改变,致使吸附容量下降,吸附效率降低。因此,需要对吸附效率降低的改性秸秆阴离子吸附剂进行再生处理。改性秸秆的吸附热力学数据表明,改性秸秆阴离子吸附剂的吸附热属于物理吸附,键能强度适中。因此,改性秸秆阴离子吸附剂具有吸附快解吸快的特点,适合进行再生处理。一般使用150ml的0.1 mol·L~(-1)NaOH溶液对1g饱和吸附阴离子的改性秸秆的解吸率即可达到90%以上。通过吸附-解吸循环12次的试验表明,改性秸秆的吸附容量没有发生明显的变化,这就说明改性秸秆在污水处理方面,具有较高的实用价值。 8.实际水样应用研究。使用改性小麦秸秆和改性玉米秸秆对水库、城市污水处理厂、化工厂三类不同水质的实际水样进行了应用研究,重点考察了溶液pH、秸秆投加量对吸附效果的影响,同时研究了水样中其它阴离子的存在对吸附效果的影响。研究表明,升高pH有利于改性秸秆对各种阴离子的去除,从实际应用角度,将水样初始pH调到7~8进行处理,就可以取得较好地去除效果。提高投加量可以提高水样中阴离子的去除率。对于水库的水样,投加量的固液比为2g·L~(-1)时,改性秸秆对亚硝酸根的去除率达到90%以上,对硝酸根、磷酸根、硫酸根的去除率达到或接近100%。对于阴离子含量高的城市污水处理厂、化工厂水样,投加量为固液比4 g·L~(-1)时,对各种阴离子去除率达到90%以上。改性秸秆对各种阴离子的去除效果与竞争吸附试验的结论一致。 本文的研究方向,符合我国当前的生态保护、循环经济及环保产业政策。上述的综合研究结果,将为农业秸秆的资源化及深度利用提供一种新的思路,并为解决水体富营养化及城市污水处理厂的除磷脱氮技术提供一种新的高效、低成本的处理方法。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 唐树和;王京平;许海燕;;间硝基酚在复合功能树脂上的吸附热力学及动力学研究[J];化学世界;2009年06期
2 李静;岳钦艳;李倩;陆广江;高宝玉;原爱娟;;阳离子聚合物改性膨润土对六价铬的吸附特性研究[J];环境科学;2009年06期
3 庞秀言;苏亚娟;吕溥;任海丽;巩菲;;膨胀石墨吸附二苯胺-4-磺酸钠的动力学及热力学[J];河北大学学报(自然科学版);2010年01期
4 王全喜;陈孟林;何星存;黄智;林香凤;;D301树脂对活性深蓝K-R的吸附性能[J];化学研究;2006年02期
5 李伟;张玉军;胡静波;;双变性淀粉吸附水溶液中铜离子的热力学和动力学研究[J];河南工业大学学报(自然科学版);2008年02期
6 徐淑芬;倪哲明;夏盛杰;陈爱民;赵少芬;;Mg/Al双金属氧化物吸附Cr(Ⅵ)的动力学和热力学机理[J];硅酸盐学报;2009年05期
7 李忠勇;高惠波;陈大明;韩连革;张文辉;金小海;白红升;雷衍庆;尹卫;;硅胶对Ge的吸附性能研究[J];核化学与放射化学;2011年01期
8 肖谷清;张学军;龙立平;彭欢;;超声条件下对羟基苯甲酸树脂的制备及对茶碱的吸附性能研究[J];化学试剂;2011年08期
9 肖谷清;龙立平;王姣亮;徐满才;;对乙酰氨基酚修饰的后交联树脂对双酚A的吸附性能[J];中国环境科学;2010年06期
10 姚超;秦泽勇;吴凤芹;李锦春;王茂华;魏科年;;直接耐酸性枣红在脱硅稻壳活性炭上的吸附热力学与动力学特性[J];化工学报;2011年04期
11 郭卓;袁悦;;介孔碳CMK-3对苯酚的吸附动力学和热力学研究[J];高等学校化学学报;2007年02期
12 唐树和;潘友华;王京平;费正皓;;间氨基酚在超高交联树脂上的吸附特征[J];离子交换与吸附;2006年02期
13 史伯安;;漆酚树脂对茶多酚的吸附特性研究[J];食品工业科技;2006年11期
14 刘芳;周云波;;竹制活性炭在水溶液中对Ru(Ⅲ)离子及其配合物的吸附[J];文山师范高等专科学校学报;2007年02期
15 徐晶晶;费正皓;;水杨酸修饰超高交联吸附树脂对邻氯苯酚吸附性能的研究[J];淮阴师范学院学报(自然科学版);2008年02期
16 肖谷清;龙立平;王姣亮;陈莉;;大孔PNaA树脂对黄连素的吸附性能研究[J];化学研究与应用;2010年08期
17 杨克迪;田在福;田友维;葛利;;HPD-100树脂吸附小檗碱的热力学及动力学研究[J];离子交换与吸附;2011年01期
18 宋应华;张维向;;甲醛改性花生壳吸附水中Cu~(2+)的研究[J];江苏农业科学;2011年03期
19 宋玲玲;;蒙脱土对钙离子的吸附特性研究[J];宿州教育学院学报;2011年04期
20 董庆洁;邵仕香;李乃瑄;张弦;;无机水合氧化物对磷酸根的吸附行为[J];盐业与化工;2006年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 宗光喜;陈厚;曲荣君;;硅胶负载聚丙烯腈树脂的ARGET ATRP合成及其改性后对Hg(Ⅱ)的吸附性能研究[A];中国化学会第15届反应性高分子学术讨论会论文摘要预印集[C];2010年
2 姜飞;张玉枝;孙赫;;青干贮专用复合酶对小麦和玉米秸秆体外预消化效果的研究[A];饲料酶制剂的研究与应用[C];2009年
3 张光华;孙昌梅;曲荣君;张盈;;聚苯乙烯负载氨基甘油对水中Au(Ⅲ)的吸附性能研究[A];2011年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2011年
4 王增娣;殷平;曲荣君;王春华;徐强;唐清华;;氨基膦酸改性硅胶的制备及其对Hg(Ⅱ)的吸附性能研究[A];中国化学会第15届反应性高分子学术讨论会论文摘要预印集[C];2010年
5 王彩霞;刘云海;庞翠;;三种交联壳聚糖对铀的吸附性能研究[A];中国核科学技术进展报告——中国核学会2009年学术年会论文集(第一卷·第4册)[C];2009年
6 黄利华;华坚;尹华强;李媛;李友平;汪南方;;高密度活性炭材料[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅱ[C];2004年
7 孙剑平;崔淑霞;胡俊生;班福忱;李慧星;;分子筛对甲醛分子吸附性能的研究[A];科学发展与社会责任(A卷)——第五届沈阳科学学术年会文集[C];2008年
8 陈铭;陈云;刁国旺;;杯芳烃键合硅胶固定相对亚甲基蓝的吸附研究[A];大环化学和超分子化学的新发展——当前学科交叉的一个重要桥梁——中国化学会全国第十五届大环化学暨第七届超分子化学学术讨论会论文摘要集[C];2010年
9 王昊;董娟;王洁;王春红;施荣富;;超高交联中孔吸附树脂的合成及吸附性能研究[A];中国化学会第15届反应性高分子学术讨论会论文摘要预印集[C];2010年
10 暴春平;郭岩彬;杨景娜;吴文良;孟凡乔;;~(13)C标记玉米秸秆分解过程中有机碳变化规律研究[A];十一五农业环境研究回顾与展望——第四届全国农业环境科学学术研讨会论文集[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王宇;利用农业秸秆制备阴离子吸附剂及其性能的研究[D];山东大学;2007年
2 钱晓荣;阳离子木屑纤维素吸附剂的制备及其吸附性能与应用研究[D];南京理工大学;2010年
3 祝春水;磷酸氢锡材料的制备及去除高盐废水中重金属离子研究[D];中国矿业大学;2012年
4 张双庆;侧链含介晶基团聚醚型螯合树脂的合成、表征及吸附性能[D];武汉理工大学;2009年
5 金秋;简单芳香族小分子制备超高交联吸附树脂及其吸附性能研究[D];郑州大学;2013年
6 谢丽华;小麦秸秆基新型缓控释肥料的制备及其性能研究[D];兰州大学;2013年
7 尹先升;锆酸锂材料的设计、合成及高温CO_2吸附性能[D];华东理工大学;2011年
8 赵林秀;烷基化缩聚型超高交联树脂的制备、修饰及吸附性能研究[D];郑州大学;2013年
9 苗宗成;多元吡喃葡萄糖环基微球双相选择吸附研究[D];陕西科技大学;2010年
10 邹卫华;锰氧化物改性过滤材料对铜和铅离子的吸附研究[D];湖南大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 段家铁;含氧原子氢键受体吸附树脂的合成及吸附性能[D];湖南师范大学;2003年
2 刘英;固相配位萃取法脱除油品中碱性氮的研究[D];南京工业大学;2005年
3 马明海;复合金属氧化物去除水中对硝基苯酚的研究[D];合肥工业大学;2007年
4 王玲慧;乙二胺硅胶材料的制备及其吸附性能研究[D];郑州大学;2010年
5 李跃;小球藻对铀的吸附试验研究[D];南华大学;2008年
6 梁丽萍;秸秆类生物吸附剂的制备及其对溶液中六价铬的吸附性能研究[D];兰州理工大学;2011年
7 王倩;纤维素酶高产菌株选育与玉米秸秆生产酒精工艺研究[D];河北农业大学;2003年
8 边鸣镝;甜椒有机栽培基质的研究[D];吉林农业大学;2003年
9 骆骏;微波法玉米秸秆活性炭制备与应用研究[D];昆明理工大学;2008年
10 赵露;鱼皮胶原的提取、制膜及单宁的吸附研究[D];江南大学;2009年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 乐亭县乐亭镇农业办 李世珍;玉米秸秆做温室:省钱效益高[N];河北科技报;2006年
2 马永存、宁学玲、姜艳;广平4.5万亩秸秆变成饲料“罐头”[N];河北日报;2006年
3 本报记者 杨涛军;13万亩玉米秸秆何时生金[N];宁夏日报;2005年
4 记者 郑惠华通讯员 马永存 郝爱良;广平秸秆饲料“远嫁”韩国[N];河北经济日报;2007年
5 张相 罗立源 记者 付强;玉米秸秆变成金[N];吉林日报;2006年
6 吴凡;冬季如何堆制玉米秸秆肥[N];陕西科技报;2006年
7 杨卫东;开鲁县为玉米秸秆管理“立法”[N];通辽日报;2006年
8 沈瑞;玉米秸秆栽培食用菌要点[N];云南科技报;2008年
9 ;玉米秸秆饲料加工十大技术[N];山东科技报;2008年
10 本报记者 单保江通讯员 张秀贵;山东张店:玉米秸秆变成宝贵资源[N];经济日报;2007年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978