木薯秸秆阴离子吸附剂的制备及对硝酸根吸附性能的研究

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在我国,由于城市化进程的迅速发展和城市人口的快速增长,大量含氮、磷的污水的排放使水体中氮、磷元素的含量急剧积累,从而导致的水体富营养化问题已日益严重。富营养化恶化了水环境的质量,影响水产养殖业的发展,严重威胁着社会经济的发展和人民的健康。目前发展应用的多种脱氮除磷技术,都存在着一些不足之处,如成本过高及不宜用于处理大规模的废水等。广西是全国最大的木薯生产基地,木薯在收获后产生了大量的废弃物一秸秆亟待处理,其中大部分的秸秆被丢弃或焚烧,没有得到充分的利用,既造成了资源浪费,又形成了严重的环境污染。因此,本文因地取材,以广西本地大量种植生产的木薯所产生的秸秆为原料,通过对其进行化学改性,制备成弱碱性阴离子交换剂,用于去除水体中硝酸氮的研究。本实验通过大量有关农业废弃物改性的文献,确定制备改性吸附剂的最佳合成条件。在改性合成的过程中,研究制备过程中各反应物的用量、反应温度及时间等因素的影响,通过单因素和正交试验,以改性后的木薯秸秆对N03的去除率为指标,得到了最佳的改性条件:1000ml的三口烧瓶中,加入2g经过4mol/L的NaOH预处理4h的木薯秸秆粉末、100ml的环氧氯丙烷、100ml的N,N-二甲基甲酰胺,反应时间为90min;再加入30ml吡啶,反应时间为60min;最后加入35ml的二甲胺溶液,反应时间为240min;整个改性过程中,反应温度始终保持为100℃。利用多种现代材料分析技术对制得的改性木薯秸秆进行表征,并与天然木薯秸秆进行对比。表征结果显示,经过改性的木薯秸秆,其表面更加光滑,纤维内部呈空心状。比表面积结果则显示,改性前后的木薯秸秆比表面积变化不明显。Zeta电位测试结果表明,改性前木薯秸秆表面带负电,经过改性的木薯秸秆表面则带正电。元素分析测试结果表明,与改性前相比,在改性过程中由于引入了叔胺基团,使改性木薯秸秆中的氮含量显著增加。XRD衍射图谱则表明经过改性的木薯秸秆的结晶程度变大,纤维结构的有序度得到了提高。IR图谱显示,经过改性的木薯秸秆确实引入了C-N叔胺基团在吸附试验中,本文以KN03溶液为模拟含氮废水,对改性木薯秸秆对溶液中N03-的静态吸附和动态吸附、脱附进行了研究。结果表明:在静态吸附中,当吸附剂的投加量为0.2g是适宜的用量,吸附可达到理想的效果;溶液pH在4-10之间时,改性木薯秸秆对水中N03-的去除效果都很好,当溶液偏中性时,吸附效果达到最佳;温度的变化对吸附过程的影响较大,随着温度的升高,改性木薯秸秆对N03-的最大吸附量减少;改性木薯秸秆对N03-的吸附在30min内达到平衡,吸附过程可以用伪二级动力学方程描述,颗粒内扩散也控制吸附过程,但并不是唯一的速率控制步骤;吸附过程中△H<0、△G<0,表明改性木薯秸秆对N03-的吸附是一个自发进行的放热过程,△S<0,说明整个吸附体系中的有序性得到了增强。动态吸附和脱附的结果显示,KN03溶液的pH在中性附近,流速控制在5mL/min时,动态吸附可取得较好的效果;脱附剂可以选择0.05mol/L的HCl、NaOH和NaCl,使达到吸附饱和的吸附剂得到再生,三种脱附剂对吸附剂的再生效果较好,而且也使得对脱附剂种类的选择余地较大。
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