论文部分内容阅读
随着我国经济社会的快速发展,在工业生产过程中产生了大量的重金属废水,由于未经过合理处理而任意排放,对生态环境和人体健康带来了巨大的危害。由于重金属的毒性强、难降解、具有生物蓄积性,必须采用合理的技术措施控制重金属的污染问题。传统的重金属处理方法包括化学沉淀法、电解法、膜分离法、离子交换法,这些方法由于成本高、技术条件复杂等因素,在实际推广中有较大限制。利用农业废弃物制备改性吸附剂,用于低浓度重金属废水的处理,具有原料来源广、成本低、技术简单易推广的特点。木薯是一种在广西地区大量栽培的农作物,每年收获季节将产生许多废弃的木薯秸秆废弃物,将其开发为重金属吸附剂,对环境保护和资源的利用具有很大的价值。本文以乙二胺四乙酸酐作为改性试剂对木薯秸秆进行改性制备重金属离子吸附剂,利用单因素实验对改性吸附剂的制备条件进行了优化,对典型的重金属Pb2+、Zn2+、Cd2+、Cu2+进行吸附性能的研究。为提高农业废弃物的利用价值,控制重金属污染与资源回收利用提供了一定的理论和实践依据。本文的研究内容和成果如下:1、改性吸附剂制备条件优化与表征通过单因素实验对影响木薯秸秆改性参数如反应温度、时间、乙二胺四乙酸酐的用量、溶剂N,N-二甲基甲酰胺体积量进行了优化。实验结果表明:改性最佳条件为:EDTAD与木薯秸秆剂量比1g:4g;反应温度70℃,反应时间为32h,DMF体积为30mL。从SEM图上观察发现改性后的木薯秸秆增加了大量近似圆形的颗粒,变得更加不规则,有许多凹凸不平的沟槽,许多裂缝镶嵌其间,使比表面积增大。天然木薯秸秆在1744 cm-1为C=O的伸缩振动峰,经氢氧化钠碱化处理后该峰消失。该吸收峰在改性木薯秸秆又重新出现,证明乙二胺四乙酸酐已成功连接到木薯秸秆结构中。XRD图可发现改性木薯秸秆结晶区强度下降,表明碱化处理使改性剂分子进入纤维素内部发生化学反应的可及度增加。元素分析发现,木薯秸秆经乙二胺四乙酸酐改性后,含氮量升高。2、改性吸附剂对重金属离子的吸附研究① 投加量的影响在初始浓度为200mg/L,温度为30℃,反应时间1h,不调节溶液的pH值条件下进行实验。对Pb2+的吸附过程中,当投加量为60mg时,吸附率达到最大值94.39%;当投加量为200mg时,Zn2+达到最大的吸附率为96.52%;当投加量为120mg时,Cd2+吸附率达到最大值为94.33%;当投加量为210mg时,Cu2+的吸附量达到最大值,此时的吸附率为95.76%。随着改性木薯秸秆投加量的增加,对四种重金属离子的吸附率呈现增大的趋势。②pH对改性木薯秸秆吸附重金属的影响在初始浓度为200mg/L,温度为30℃,反应时间为1h,调节溶液的pH值,研究pH值的影响。结果表明,在pH小于2时,对四种重金属离子的吸附率不佳。当pH为5时,为Pb2+的最佳pH值,此时的吸附率达95.67%;当pH=6时,Zn2+的吸附率达到最佳值为98.92%;当pH达到5时,改性木薯秸秆对Cd2+的吸附率达到最大值,此时的吸附率为96.37%;在pH=6时,Cu2+的吸附率达到最大值97.84%。③振荡速率对重金属吸附的影响在初始浓度为200mg/L,温度为30℃,反应时间为1 h,改变振荡速率,研究其影响。对Pb2+、Zn2+、Cd2+的吸附结果为,在振荡速率为150rpm时的吸附率分别达到最大值为96.73%、98.32%、96.39%;对Cu2+而言,在振荡速率为200rpm时吸附率达到最大值96.09%。④吸附时间的影响在初始浓度为200mg/L,温度为30℃,调节溶液的pH值至最佳条件,研究吸附时间对吸附剂吸附重金属离子的影响。结果表明对重金属离子吸附可分为三个阶段,对Pb2+、Cd2+而言,在0-10min为吸附量快速增大阶段;10-40min,吸附量缓慢增加;40min以后,吸附量基本保持稳定。对Zn2+、Cu2+的吸附而言,在0-5min,为吸附量快速增长阶段;5-40min的吸附量呈缓慢增加,在40min以后,吸附量保持稳定。⑤动力学模型拟合研究实验条件为初始浓度为200mg/L,温度为30℃,调节pH值至最佳值。运用三种动力学模型对吸附动力学曲线进行拟合表明,改性木薯秸秆对Pb2+、Zn2+、Cd2+、Cu2+吸附满足准二级动力学方程,其相关系数均大于0.99。⑥等温吸附模型研究当Pb2+、Zn2+、Cd2+、Cu2+每种重金属溶液中改性木薯秸秆添加量分别为125、140、80、210mg时,溶液pH值为5、6、5、6,反应时间为40min,在不同温度条件下(Pb2+为 25、35、45、55℃,Zn2+为 20、30、40℃,Cd2+为 35、40、45、50℃,Cu2+为 30、40、50℃),改变金属离子初始浓度(Pb2+为 50、100、150、200、300、400mg/L,Zn2+为 160、180、200、240、280、320、360mg/L,Cd2+为 50、100、150、200、250、、300 mg/L,Cu2+为 10、20、35、97、180、310、420、480mg/L)进行平衡实验。。结果表明:吸附量随初始浓度的增加而上升;随着温度的升高,改性木薯秸秆对重金属的吸附量呈下降趋势;改性木薯秸秆对四种重金属的吸附符合Langmuir模型,在25、35、45、55℃时,对 Pb2+理论吸附量分别为 196.34、192.2、188.6、181.7mg/g;在 20、30、40℃时对 Zn2+理论吸附量分别为 82.64、81.97、80.64mg/g;在 35、40、45、50℃时对 Cd2+理论吸附量分别为 181.82、175.44、161.29、151.52mg/g;在 30、40、50℃时对Cu2+分别理论吸附量为 56.73、54.05、52.91mg/g。⑦改性木薯秸秆的再生实验用0.5mol/L盐酸、硝酸、柠檬酸、乙二胺四乙酸二钠盐、氯化钠、碳酸氢钠作为解吸剂对吸附饱和改性木薯秸秆再生,结果表明六种选用解吸剂的最终解吸率分别为 94.23%、94.49%、94.23%、97.63%、39.82%、24.57%。使用乙二胺四乙酸二钠作为解吸剂,连续三次对同一吸附剂进行吸附-解吸,解吸率分别为98.26%、98.21%、97.63%,吸附量分别为 55.48 mg/g、54.95 mg/g、53.75 mg/g,三次解吸吸附剂的吸附量下降1.57%、4.20%、5.94%,解吸效果最佳。