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羧基稻草阳离子吸附剂的制备与应用

靳友彬  
【摘要】: 染料是指在一定介质中,能使纤维或其他物质牢固着色的化合物。到目前为止,染料商品已达一万多种。对染料主要按化学结构或按应用进行分类,由于染料的性能往往与染料的分子结构有关,因此这两种方法不能截然分开。 现代生活离不开染料,但染料在带给人们绚丽多彩的同时,也导致了严重的环境污染问题。无论是染料的产量还是消费量目前我国均居世界首位。染料的生产和使用都会导致大量的染料流失,我国每年排放的染料废水高达1.5亿吨左右,其中大部分未经处理直接排入环境水体中。由于有些有机染料或其降解产物有毒,甚至能诱发基因突变或致癌,所以染料废水对环境污染所带来的生态危害以及由此而引起的人体健康风险已引起人们的极大关注。 由于染料废水成分复杂,往往含多种有机染料及其中间体,色度深,毒性强,难降解,pH值波动大,组分变化大,且浓度高,水量大,所以一直是工业废水处理的难点。对染料废水的处理方法有多种,包括混凝法、氧化法、吸附法、分离法等等,为达到更好的处理效果,有时几种方法互为结合。 在众多的处理方法中,吸附法以其能够选择性地富集某些化合物而在废水处理领域有着特殊的地位。水处理常用的吸附剂主要有活性炭、离子交换树脂、天然矿物质、煤炭、煤渣、一些工业或农业废弃物等。目前,活性炭是吸附法效果最好的吸附剂之一,但由于活性炭的生产和再生成本高,限制了它的广泛应用。 一些农业废弃物已被直接用于染料废水的处理,如:玉米茎杆、麦草、稻壳、花生壳、椰壳纤维、树皮、木屑等。天然农业废弃物直接用于染料废水的处理,其吸附能力大多较低下,通过一定的改性处理,可提高它们的吸附能力。 本实验以富含纤维成分的稻草为原料,用柠檬酸对稻草进行酯化处理,目的是为了增加稻草纤维分子上的羧基官能团,再经过NaOH溶液的中和处理,使羧基官能团以盐的形式存在,从而提高对碱性染料(阳离子染料)的吸附性能。经过实验探索,在对稻草改性处理时的最佳条件是:所用柠檬酸的浓度为0.5 M,酯化稻草时的温度为120℃并持续1.5h。经过分析,改性后的稻草(MRS)其理化性质与天然稻草(CRS)相比均发生一定程度的变化,这是由于引入羧基官能团的结果。 本实验所选用的两种碱性染料分别为亚甲蓝和孔雀绿,亚甲蓝(MB)属吩噻嗪类染料,孔雀绿(MG)属三芳基甲烷类染料。在实验过程中考察了吸附剂浓度、染料浓度、染料溶液pH值和离子强度对吸附作用的影响及吸附动力学实验。染料溶液的pH值明显影响天然稻草对两种染料的吸附,而对改性稻草吸附作用的影响较小,当pH≥4时,改性稻草对亚甲蓝和孔雀绿的吸附均以达或接近最大值;随吸附剂量的增加,吸附剂对染料的吸附率也增大,对于浓度为250mg﹒L-1的两种染料溶液,等于或大于1.5g﹒L-1的改性稻草的量能几乎将溶液中的染料除去;两种稻草吸附剂随染料浓度的增加其吸附率而下降;改性前后稻草对染料的吸附均符合Langmuir等温吸附模式,改性稻草对孔雀石绿的吸附还符合Freundlich等温吸附模式;吸附过程符合Lagergren准一级反应动力学方程,酯化改性使吸附剂粒子内的染料扩散速率常数(kid)大大增加;吸附过程可分为快速吸附、缓慢吸附、吸附平衡三个阶段,在10h后达吸附平衡;达吸附平衡后,改性稻草与天然稻草相比对亚甲蓝的最大吸附能力提高了190.3 mg﹒g–1,而对孔雀石率的最大吸附能力则增加了162.1 mg﹒g–1。 稻草,作为资源极为丰富的农业废弃物,价格低廉,通过酯化改性后作为吸附剂处理碱性染料废水,与活性炭相比,可大大降低处理费用,既具有良好的经济效益,又具有积极的环保意义。


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