甘蔗渣基功能化复合材料的设计及应用

发布时间：2020-10-30 14:50

　　 绿色化学,可持续性和生态效率是下一代工业化学过程发展的导向。未来不可再生资源(石油,煤和天然气)的枯竭以及由石油基聚合物引起的环境污染问题激发了对可再生资源不断增长的需求,这些可再生资源是可生物降解的、非石油类的、碳中性的,对环境、动物、人类健康和安全具有较低的风险。甘蔗渣作为甘蔗制糖工业的废弃物,其来源广泛、无毒安全、具有生物降解性,且富含纤维素、木质素和半纤维素等天然高分子,在水环境修复领域具有广阔的应用前景。本论文以甘蔗渣为基体,通过简便、绿色的方法制备甘蔗渣基和木质素基吸附剂及甘蔗渣基活性炭,用于水环境中PO_4~(3-)的吸附和阿莫西林的降解。主要内容如下:1.以从甘蔗渣制糖工业回收的甘蔗渣为基材,制备了甘蔗渣基吸附剂吸附水体中的低浓度磷酸根,这样既能达到废物回收的目的,又能达到防止水体富营养化的问题。该吸附剂首先通过硝酸酯化得到硝化甘蔗渣,然后使硝化甘蔗渣与氯化铁配位得到配位了铁元素的甘蔗渣基吸附剂。通过FTIR,XPS,ζ电位分析得到,铁原子在磷酸根吸附中起到了决定性作用,吸附剂中的铁原子和磷酸根之间产生了配位键的相互作用达到了吸附磷酸根的目的,扫面电镜图片表明Fe-甘蔗渣基吸附剂在吸附磷酸根前后保持有一个稳定的结构,没有因为长时间浸泡在磷酸根溶液中而分解。其动力学吸附过程研究符合伪二阶动力学模型,热力学吸附符合Langmuir模型,动力学和热力学研究都表明了其吸附磷酸根的过程是一个高效快速的过程,这个实验提供了一种把废弃甘蔗渣高值化利用的方法,丰富了天然可再生资源的发展实例。2.以低成本的甘蔗渣为原料,制备了甘蔗渣基活性炭用于还原降解水体中的阿莫西林,其效果良好,能够达到高效的处理抗生素过量排放的问题。在这个工作中,以氯化锌作为活化剂。通过FTIR,XRD,XPS,SEM,EDS,ζ电位分析,证明了甘蔗渣基活性炭中零价锌粒子的产生,并且零价锌粒子在阿莫西林的降解中起到了决定性的作用,为了进一步研究阿莫西林的降解过程,通过质谱分析了降解后阿莫西林的降解产物,得到阿莫西林被由零价锌粒子在水中腐蚀产生的氢自由基所引发而降解。阿莫西林降解过程采用传统的分批吸附实验分析,其动力学过程符合伪一阶动力学模型,热力学过程表明其对阿莫西林的最大处理量为46 mg/g。结合吸附实验和表征结果进行分析整体分析,得到阿莫西林首先被吸附到活性炭上面再由活性炭上的活性因子(零价锌粒子)在水的作用下所引发而还原降解,其甘蔗渣基活性炭的炭结构不仅仅起到固定和均匀分散活性因子的效果,有利于阿莫西林更高效的被吸附到活性炭上发生降解反应,提高了阿莫西林的降解效率;并且阿莫西林降解之后,零价锌粒子被腐蚀成氢氧化锌,而副产物氢氧化锌也由于甘蔗渣基活性炭的炭结构的作用被固定在活性炭上而没有脱落,这样就为循环使用后的活性炭热再生提供了可能。这个工作证明了工业废弃物甘蔗渣可以被高值化利用,制备成活性炭用于处理水体中的阿莫西林。3.采用吸附法处理水体中的低溶度磷酸根是保护水体,防止水体富营养化最常用的方法之一,在这个工作中,以从甘蔗渣中提取的木质素为基材,对其进行表面改性,首先通过曼尼希反应胺化木质素得到木质素胺,然后使木质素胺与氯化铁配位得到配位了铁元素的木质素基吸附剂Fe-木质素。通过吸附实验证明Fe-木质素基吸附剂能够高效的处理低溶度的磷酸根,吸附动力学研究其过程符合二阶动力学模型;等温吸附研究发现其过程符合Langmuir模型。通过FITR,SEM,粒径ζ电位分析和XPS分析对吸附剂及吸附原理进行了探究。FTIR和XPS分析表明铁原子对于磷酸根的吸附起到了决定性作用。扫描电镜图片和粒径分析表明了Fe-木质素基吸附剂形状呈球型,具有均匀的尺寸粒径是大约450 nm,并在吸附前后保持了一个良好的物理结构而没有塌陷。对吸附实验和表征结果进行分析得到,Fe-木质素上铁元素与磷酸根之间的配位作用是达到高效吸附磷酸根的关键所在,这个研究开发了一种新的甘蔗渣中木质素作为吸附剂的改性方式,并且在一定程度上尝试处理了水体富营养化的问题。总之,本论文设计的甘蔗渣基吸附剂及活性炭具有较好的稳定性、便易的操作性和可再生循环利用的能力,对水环境中污染物磷酸根和阿莫西林具有高效的处理能力,在安全水体净化领域有着广阔的应用前景,为农业废弃物的高值化利用提供了良好的实例。
【学位单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB34
【部分图文】：

通过傅立叶变换红外光谱仪 (model 1600, Perkin-Elmer Co.,FTIR)对甘蔗渣和改性后的甘蔗渣的表面官能团进行研究。采用KBr 为背景压片制备测试样品。通过 X-射线光电子能谱仪(Thermo Fisher, ESCALAB 250Xi，XPS)在 15 kV/20 mA 条件下利用单色的 Al Kα为 X-射线源进行测试，分析磷酸根吸附过程的机理。样品分散在不同 pH 条件下的去离子水中，使用电位测试仪（Malvern Zeta & sizer Nano Series Nano-ZS）分析其ζ和 pH 之间的关系。通过扫面电子显微镜 (Hitachi TM3030, SEM)观察冷冻干燥后样品的表面结构与形貌。2.3 结果与讨论2.3.1 吸附试验结果分析

硕士学位论文大吸附量随着温度的升高而降低的原因。表 2.3 Fe-CB 吸附磷酸根的热力学参数Table 2.3 Thermodynamic parameters of phosphate removal onto Fe-CBT (K) kl(L/mol) ΔG (kJ/mol) ΔH (kJ/mol) ΔS (kJ/mol K) R2298 2.404 2.174308 2.789 2.626-9.217 -0.038 0.9782318 3.040 2.940再生实验结果分析

章 甘蔗渣基吸附剂的制备及用于水中低溶度磷酸根 cm-1的波段分别表示 C-H 伸缩振动、C；1605、1515、1422、1328 和 834 cm动和 C-O 的伸展振动[57]。与曲线 b 相：在 1150 cm-1波数产生了一个新 C-N 反300 cm-1波数也产生了新的峰，分别表示振动，这些峰都是硝化甘蔗渣的特征峰1300 cm-1波数的峰明显增强，这可能是基之间产生了互相作用，这一结果证明活性位点[59]。然而，在这个改性过程的分析进一步的证明。
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本文编号：2862629