用于脱除水中重金属离子的生物质基炭材料的制备及改性研究

发布时间：2017-09-27 22:30

  本文关键词：用于脱除水中重金属离子的生物质基炭材料的制备及改性研究

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【摘要】：生物质基炭材料具有发达的孔隙结构,是一种理想的吸附材料,而且采用农林废弃物和天然木质纤维材料制备高性能的炭材料符合我国绿色发展战略。本文采用微波电加热双模加热方式,以氯化锌作为活化剂,单步活化法制备了低成本稻壳活性炭和剑麻活性炭纤维,并对它们进行对比,分别考察了不同因素(浸渍比,活化温度,活化时间,升温速率)对吸附剂孔隙结构和重金属离子吸附能力的影响。通过单因素实验得到稻壳活性炭的最佳工况为：活化温度600℃,活化时间50 min,浸渍比(氯化锌：稻壳)1.5：1,升温速率15℃/min。剑麻活性炭纤维的最佳工况为：预氧化温度250℃,预氧化时间1h,活化温度600℃,活化时间50 min,浸渍比(氯化锌：剑麻纤维)1.25：1,升温速率10℃/mmin。BET结果表明最优工况下的稻壳活性炭和剑麻活性炭纤维的比表面积分别达到了1719.32 m2/g和2055.53 m2/g。对最佳条件下的炭基吸附剂,进行微波硝酸改性和硫化改性,探究不同因素对微波硝酸改性(硝酸浓度,改性温度,改性时间,改性功率)和硫化改性(氯化亚砜用量,氯化亚砜接触时间,巯基乙酸用量,巯基乙酸接触时间)的影响。通过正交实验表明稻壳活性炭的最佳微波硝酸改性条件为：硝酸浓度8 mol/L,改性温度130℃,改性时间5 min,改性功率800 W；剑麻活性炭纤维的最佳微波硝酸改性条件为：硝酸浓度9.5 mol/L,改性温度150℃,改性时间15 min,改性功率800 W。通过单因素实验得到到稻壳活性炭硫化改性的最佳条件为：氯化亚砜用量10 mL,氯化亚砜接触时间1.5 h,巯基乙酸用量12 mL,巯基乙酸接触时间2 h；剑麻活性炭纤维最佳硫化改性条件为：氯化亚砜用量12 mL,氯化亚砜接触时间1.5 h,巯基乙酸用量14 mL,巯基乙酸接触时间2 h。采用元素分析、比表面积及孔隙分析、红外光谱、Boehm滴定、Zeta电位、X射线衍射光谱(XR,D)和x射线光电子能谱(XPS)等方法对改性前后的生物质基炭材料进行分析。通过静态吸附实验,研究了各种因素(吸附时间,pH,重金属离子浓度,温度)对吸附剂除去重金属离子(铅、铜和六价铬离子)效果的影响。结果表明剑麻活性炭纤维比稻壳活性炭拥有更短的吸附时间,pH对吸附量影响较大,在pH=2-3时,改性前后稻壳活性炭和剑麻活性炭纤维对六价铬离子有较强的吸附量；在pH=5.5时,改性前后稻壳活性炭和剑麻活性炭纤维对铅和铜离子有较好的吸附能力。浓度的增加导致吸附剂的吸附量增加,去除率下降。对于两种改性吸附剂,温度均能促进吸附的进行。采用准一/二级模型、粒内扩散模型和HSDM吸附动力学模型以及Langmuir、Freiundlich等温模型分别对吸附动力学和等温吸附过程进行了分析。结果表明吸附剂对重金属离子的吸附均符合准二级动力学,颗粒内扩散模型呈现多段性。HSDM动力学模型表明吸附过程受表面扩散和膜扩散共同控制。由吸附等温模型可知,氧化及硫化改性后稻壳活性炭和剑麻活性炭纤维均更符合Freundlich等温方程,表明通过改性作用后,吸附质是在粗糙和不均匀的表面上被吸附的。吸附热力学表明所有吸附过程均能自发进行,改性后吸附剂的焓值均比之前提高,说明化学吸附所占比例增加。通过动态吸附实验,研究了固定床吸附过程中吸附剂对重金属离子在不同影响因素(柱高,初始浓度,流速)下的吸附性能并对剑麻活性炭纤维进行了固定床动力学分析。使用酸和碱在不同条件(pH,流速,温度)下脱附剑麻活性炭纤维,且进行了重复吸脱附实验,结果显示其具有优良的重复使用性能。
【关键词】：生物质基炭材料 重金属离子 吸附 改性 动力学
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703;TQ424
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 主要符号表9-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 研究背景10
• 1.2 国内外研究现状10-15
• 1.2.1 重金属废水的处理方法10-11
• 1.2.2 生物质基炭材料的制备原料11
• 1.2.3 生物质基炭材料的制备方法11-13
• 1.2.4 生物质基炭材料的改性方法13-14
• 1.2.5 生物质基炭材料的再生方法14-15
• 1.3 研究意义和内容15-16
• 1.3.1 研究意义15
• 1.3.2 研究内容15-16
• 第二章 实验材料及方法16-21
• 2.1 实验材料16
• 2.2 实验试剂和仪器16
• 2.3 实验方法16-21
• 2.3.1 吸附剂的制备16-18
• 2.3.2 重金属离子吸附性能研究18-19
• 2.3.3 生物质基炭材料改性19
• 2.3.4 剑麻活性炭纤维的再生研究19-20
• 2.3.5 分析表征方法20-21
• 第三章 双模加热法制备稻壳活性炭和剑麻活性炭纤维的研究21-26
• 3.1 引言21
• 3.2 活化时间的影响21
• 3.3 升温速率的影响21-22
• 3.4 活化温度的影响22-23
• 3.5 浸渍比的影响23-25
• 3.6 小结25-26
• 第四章 改性稻壳活性炭和剑麻活性炭纤维静态吸附重金属离子的研究26-65
• 4.1 引言26
• 4.2 微波硝酸改性的条件优化26-30
• 4.2.1 稻壳活性炭改性的条件优化26-28
• 4.2.2 剑麻活性炭纤维改性的条件优化28-30
• 4.3 硫化改性的条件优化30-33
• 4.3.1 稻壳活性炭改性条件优化30-31
• 4.3.2 剑麻活性炭纤维改性的条件优化31-33
• 4.4 改性前后吸附剂的表征33-40
• 4.4.1 比表面积和孔隙分析33
• 4.4.2 表面官能团和等电荷点分析33-34
• 4.4.3 元素分析34-35
• 4.4.4 Zeta电位分析35
• 4.4.5 XRD分析35-36
• 4.4.6 拉曼光谱分析36-38
• 4.4.7 X射线光电子能谱(XPS)分析38-40
• 4.5 吸附影响因素的研究40-46
• 4.5.1 吸附时间的影响40-41
• 4.5.2 溶液pH的影响41-44
• 4.5.3 初始浓度的影响44-45
• 4.5.4 吸附温度的影响45-46
• 4.6 吸附动力学分析46-55
• 4.6.1 准一/二级动力学模型47-49
• 4.6.2 粒内扩散模型49-51
• 4.6.3 HSDM动力学模型51-55
• 4.7 吸附等温线分析55-60
• 4.8 不同类型吸附剂对比60-61
• 4.9 热力学分析61-64
• 4.10 小结64-65
• 第五章 稻壳活性炭和剑麻活性炭纤维动态吸附重金属离子的研究65-80
• 5.1 引言65
• 5.2 动态吸附影响因素的研究65-72
• 5.2.1 固定床吸附动力学模型65-66
• 5.2.2 柱高的影响66-68
• 5.2.3 初始浓度的影响68-70
• 5.2.4 流速的影响70-72
• 5.3 固定床吸附动力学72-75
• 5.4 剑麻活性炭纤维脱附性能的研究75-78
• 5.4.1 pH的影响76-77
• 5.4.2 流速的影响77
• 5.4.3 温度的影响77-78
• 5.5 剑麻活性炭纤维重复使用性能的研究78-79
• 5.6 小结79-80
• 第六章 总结与展望80-82
• 6.1 总结80-81
• 6.2 展望81-82
• 参考文献82-87
• 攻读硕士期间发表论文87-88
• 致谢88

【参考文献】

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本文编号：932296