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《华南理工大学》 2011年
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玉米秸秆及其纤维素的改性和吸附水体镉离子的机理研究

郑刘春  
【摘要】:近年来,包括含镉废水在内的许多工业废水给周边的环境以及人类的健康造成了严重危害,从而引起广泛的关注和成为研究的热点。许多的水体重金属离子去除技术应运而生,然而这些治理技术面临的最大缺陷就是运行成本较高。吸附法能通过选择来源广泛、价格低廉、以及吸附性能良好的吸附剂,有效地去除水体中的重金属离子。因此,吸附法成为一种较为流行的废水处理方法。 玉米秸秆是世界上生物量巨大的农业废弃物。它富含纤维素成分,可以在许多领域发挥重要的作用。但是现有的利用状况造成了相当一部分的玉米秸秆被低值使用和直接废弃,其后果是既浪费了资源,又污染了环境。现有的农业废弃物吸附剂改性方法和制备技术,为玉米秸秆作为重金属离子吸附剂提供了理论基础和研究方向。如果能把成本低廉的玉米秸秆,通过适当的化学改性,研制成性能良好的吸附剂,不但可以解决水体重金属污染的问题,而且为玉米秸秆的综合利用开辟了一条新途径。 本研究通过使用改性剂丙烯腈,选择两种原理不同的改性方法——醚化和接枝化改性方法,将玉米秸秆(RCS-A和RCS-B)制备出两种不同的吸附剂AMCS和AGCS。同时,对玉米秸秆纤维素实现提纯和接枝化改性,可得到纤维素吸附剂AGCS-Cell。然后分别地对它们的性质表征和吸附性能进行研究,详细地阐述了它们的改性和吸附机理,并具体地拟合了吸附过程的各种模型,以及对吸附后的AMCS和AGCS进行了解吸研究。主要的研究结果如下: 1、从表征分析的结果来看,AMCS和AGCS结构的内部表面积比RCS (-A \ -B)分别大2.74和3.43倍;经过醚化或接枝化改性后,AMCS和AGCS结构内成功地被引入了新的官能基团—氰基(-CN),而且氰基的进入造成结构中N元素含量的增加;XRD图谱分析出X-射线结晶指数关系AGCS AMCS RCS (-A \ -B),意味着AGCS和AMCS中的-OH大部分从氢键的束缚中被“解放”出来,可以更加容易地被新引入的-CN基团所替代,并且更有利于接触并吸附水体Cd~(2+)离子。~(13)C核磁共振图谱解释了AGCS和AMCS的结晶度降低和氰基引入位置的原因。此外,TGA及DSC曲线证实了AGCS良好的热稳定性。 2、从吸附效果、吸附过程动力学和热力学的研究结果,可以得知它们的吸附能力主要受到溶液初始pH值和吸附剂投加量的影响。当pH值较高和投加量在较少时,它们的吸附效果最好,而且AGCS的吸附能力要好于AMCS和RCS (-A \ -B)。这四种吸附剂对水体镉离子的吸附符合Langmuir吸附等温式,AMCS和AGCS的理论最大吸附量分别为12.73和22.17 mg g~(-1)。AMCS和AGCS还符合准二级动力学方程学,说明了它们的吸附速率由膜扩散和颗粒内扩散的速率共同决定的,是与驱动力的平方成正比关系。 3、AMCS和AGCS吸附水体Cd~(2+)主要机理包括:因化学改性而获得的较大比表面积和孔隙层状结构的物理吸附;它们结构中的新功能基团——氰基(-CN)对Cd~(2+)具有配位络合作用以及它们带负电荷的表面电位,可与Cd~(2+)金属阳离子之间产生静电吸附作用。唯一不同的是AGCS对水体镉离子还具有空间网捕作用。 4、对比分析AGCS和AGCS-Cell结构和吸附,表明AGCS-Cell接枝化改性程度更高。并推导出玉米秸秆纤维素二元接枝共聚反应的动力学速率方程,指出反应速率是与引发剂和单体浓度有密切的正比关系。验证结果也表明二元纤维素接枝共聚反应的动力学模型一定的条件下是合理的。 5、解吸效果研究表明:纯水、硝酸、氢氧化钠、柠檬酸、氯化钠和EDTA这六种解吸剂的解吸效果会受到解吸温度和浓度的影响,性能有所差异。EDTA的解吸效果较为明显。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:X13

【引证文献】
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中国重要报纸全文数据库 前3条
1 本报记者 管青山;湿法炼锌废水处理变废为宝[N];云南政协报;2009年
2 韩文;韩国使用高效光催化活性剂制造抗菌陶瓷[N];中国包装报;2009年
3 中国皮革协会主任 马瑞华;家具企业可放心使用真皮标志皮革[N];消费日报;2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王时光;高精度镉离子原子钟[D];清华大学;2013年
2 王正博;北斗同步、授时方案与激光冷却镉离子微波频标的研究[D];清华大学;2012年
3 张岚翠;67LR介导的EGCG,YIGSR对前列腺癌细胞PC-3细胞毒性的影响及其分子机制[D];浙江大学;2009年
4 程探宇;氟硼二吡咯(BODIPY)荧光探针的设计、合成与应用研究[D];华东理工大学;2011年
5 黄齐林;基于功能化纳米材料构建的新型酶生物传感器及其应用研究[D];华东师范大学;2013年
6 罗红元;卟啉枝接离子载体:新型阳离子荧光探针的设计与合成[D];湖南大学;2007年
7 张连海;腈纶基离子交换及变色纤维研究[D];天津大学;2009年
8 方瑶瑶;阴离子表面活性剂胶团强化超滤去除镉离子的应用研究[D];湖南大学;2009年
9 陈云嫩;废麦糟生物吸附剂深度净化水体中砷、镉的研究[D];中南大学;2009年
10 赵芳;蛭石—水溶液体系中锌、镉离子吸附特性与离子吸附理论[D];中南林业科技大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 田昊;喹啉酰胺型镉离子荧光化学传感器研究[D];兰州大学;2012年
2 赵南南;水中镉离子的吸附去除研究[D];大连理工大学;2011年
3 于芳;小麦秸秆对溶液中铅、镉离子吸附性能的研究[D];西北大学;2013年
4 韩锐;羧甲基壳聚糖和菠萝皮渣复配物吸附铜离子和镉离子的特性研究[D];广东海洋大学;2012年
5 辛利;新型镉离子荧光传感器的设计、合成及性能研究[D];汕头大学;2011年
6 马玉洪;深海高效除镉菌株的筛选及其镉去除特性研究[D];山东大学;2012年
7 周堃;镉离子在液膜体系中的传输动力学研究[D];重庆大学;2003年
8 姜丽丽;表面活性剂对简青霉去除水体中镉离子的影响及机理探讨[D];湖南大学;2012年
9 龚璐璐;石煤钠法提钒柱后废液镍、镉离子交换的影响因素研究[D];南昌大学;2013年
10 纪智慧;湿地植物抗锌、镉离子毒性能力及其去污效果研究[D];中南林业科技大学;2009年
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