论文部分内容阅读
随着工业化进程的推进，含铬废水对自然环境和人类生活产生了越来越大的影响。Cr(Ⅵ)相比于Cr(Ⅲ)，由于毒性和流动性更强而备受学者关注。在众多处理方法中，吸附法凭借着操作简单、处理高效的优势一直是重金属处理领域的热点。铜藻作为中国沿海地区常见的大型藻类，是一种极具潜力的生物基吸附剂。本研究为了进一步提高吸附Cr(Ⅵ)的能力，选择将铜藻水热法制成含氧基团丰富的水热炭，经超声酸化预处理，再与聚乙烯亚胺(PEI)交联制备得到新型氨基改性水热炭吸附剂。研究内容及主要的结论如下：
(1)通过元素分析和工业分析对铜藻、椰壳、竹粉、秸秆的组成成分进行区分，发现铜藻的固定碳和挥发分含量占优势，具有热解制碳的优秀潜力，有着最高的氮含量和不错的氧含量，说明带有较多的含氮含氧官能团，有利于通过静电作用吸附Cr(Ⅵ)。通过热重分析发现铜藻的纤维素和半纤维素含量占比在38%左右，说明铜藻具有丰富含氧基团，能够用于吸附Cr(Ⅵ)。通过简单的酸改性和碱改性法对铜藻原料进行处理，吸附50mg/LCr(Ⅵ)模拟废水，铜藻、酸改性铜藻、碱改性铜藻得到的吸附能力分别是9.94mg/g、10.29mg/g、5.49mg/g。结合SEM和FTIR的表征结果可知，酸改性，有助于铜藻表面产生更多孔道，增大比表面积，并且引入更多含氧基团，活化活性位点，提高了吸附能力，而碱处理可能导致了木质素水解，使铜藻结构松散，并且造成了部分活性基团流失，使吸附性能减弱。
(2)为了减少铜藻在吸附过程中的有机浸出液产生二次污染并提升吸附能力，采用将铜藻原料进行水热碳化反应，得到拥有丰富含氧基团的水热炭。通过探究水热制备的条件，优选出后续水热炭制备的适宜条件：铜藻:水固液质量比为1∶3，水热时间为2h，水热温度250℃。并与慢速热解得到生物炭进行对比，发现水热炭吸附Cr(Ⅵ)效果超出生物炭52.63%。水热炭和生物炭都在pH为2时达到最佳吸附效果，在120min左右吸附时间时达到吸附平衡。对吸附过程进行吸附动力学模拟，水热炭和生物炭的拟合结果都符合伪二级动力学模型，以化学吸附为主。
(3)为了进一步提高水热炭吸附Cr(Ⅵ)的能力，发现水热炭经超声酸处理，再进行聚乙烯亚胺(PEI)交联，并且在整个吸附过程中使用去离子水作为溶剂代替文献中常用的甲醇，得到的改性水热炭(PEI-USAH)吸附剂吸附效果较好，达到330.84mg/g。在pH值为2.00左右时，PEI-USAH吸附Cr(Ⅵ)效果最好，零电荷点说明此时吸附剂表面带正电。最后再通过动态柱吸附实验，研究动态吸附的特性，表明吸附剂和Thomas模型的拟合度较好，主要以化学反应为速控步骤。
(1)通过元素分析和工业分析对铜藻、椰壳、竹粉、秸秆的组成成分进行区分，发现铜藻的固定碳和挥发分含量占优势，具有热解制碳的优秀潜力，有着最高的氮含量和不错的氧含量，说明带有较多的含氮含氧官能团，有利于通过静电作用吸附Cr(Ⅵ)。通过热重分析发现铜藻的纤维素和半纤维素含量占比在38%左右，说明铜藻具有丰富含氧基团，能够用于吸附Cr(Ⅵ)。通过简单的酸改性和碱改性法对铜藻原料进行处理，吸附50mg/LCr(Ⅵ)模拟废水，铜藻、酸改性铜藻、碱改性铜藻得到的吸附能力分别是9.94mg/g、10.29mg/g、5.49mg/g。结合SEM和FTIR的表征结果可知，酸改性，有助于铜藻表面产生更多孔道，增大比表面积，并且引入更多含氧基团，活化活性位点，提高了吸附能力，而碱处理可能导致了木质素水解，使铜藻结构松散，并且造成了部分活性基团流失，使吸附性能减弱。
(2)为了减少铜藻在吸附过程中的有机浸出液产生二次污染并提升吸附能力，采用将铜藻原料进行水热碳化反应，得到拥有丰富含氧基团的水热炭。通过探究水热制备的条件，优选出后续水热炭制备的适宜条件：铜藻:水固液质量比为1∶3，水热时间为2h，水热温度250℃。并与慢速热解得到生物炭进行对比，发现水热炭吸附Cr(Ⅵ)效果超出生物炭52.63%。水热炭和生物炭都在pH为2时达到最佳吸附效果，在120min左右吸附时间时达到吸附平衡。对吸附过程进行吸附动力学模拟，水热炭和生物炭的拟合结果都符合伪二级动力学模型，以化学吸附为主。
(3)为了进一步提高水热炭吸附Cr(Ⅵ)的能力，发现水热炭经超声酸处理，再进行聚乙烯亚胺(PEI)交联，并且在整个吸附过程中使用去离子水作为溶剂代替文献中常用的甲醇，得到的改性水热炭(PEI-USAH)吸附剂吸附效果较好，达到330.84mg/g。在pH值为2.00左右时，PEI-USAH吸附Cr(Ⅵ)效果最好，零电荷点说明此时吸附剂表面带正电。最后再通过动态柱吸附实验，研究动态吸附的特性，表明吸附剂和Thomas模型的拟合度较好，主要以化学反应为速控步骤。