改性豆渣对污水中染料物质的吸附研究

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染料污水色度高、成分复杂,含-N=N-,-N=O等显色基团和-SO3Na、-OH、-NH2等极性基团。其组分大多以芳烃和杂环为母体,是较难降解的有机污染物,已经成为我国各大水域的重要污染源,给生态环境造成了一定的压力。目前,这类废水的处理方法主要有活性污泥法,混凝法、化学氧化法、Fenton试剂法等。但是由于染料自身结构的特点,这些传统废水处理方法对染料废水所起的作用是有限的。而吸附法对各种染料的处理能起到有力的补充作用,因此,近年来,用吸附方法处理染料废水的研究引起广泛关注。豆渣是加工大豆制品的副产物,目前除用于饲料外,还没有得到有效的利用,豆渣含有大量的纤维素,利用纤维素吸附染料的报道已有不少,但豆渣吸附染料的研究却相对较少。因此,本研究采用豆渣作为吸附剂,针对酸性染料和碱性染料的不同性质,分别对豆渣进行化学改性,提高其吸附染料的能力。通过研究豆渣对废水中染料的静态、动态吸附,再生以及改性前后材料的结构变化,为豆渣处理染料废水的进一步研究和工程应用提供参考数据。研究结果主要表现为:(1)通过红外光谱、电镜扫描、XRD分析方法对改性前后豆渣的理化结构进行表征,结果发现,两种改性豆渣的结构以及表面性质都有了一定的变化。经改性后的豆渣表面出现皱褶,结构变得蓬松,有利于染料的吸附;阳离子型豆渣的红外光谱显示,在1380cm-1处C-N的吸收峰增强,说明发生了胺化反应;阴离子型豆渣红外光谱显示1420cm-1、1160cm-1处出现了吸收峰,这分别是C-S和C=S的特征吸收峰,表明存在-O-C=S特征官能团。说明CS2与豆渣成功发生了黄化反应生成了黄原酸酯;阳离子型改性豆渣的晶体结构没有发生明显的变化,阴离子型豆渣由于黄原酸酯镁盐的生成导致纤维素晶型发生变化。(2)由单因素试验和正交试验得到豆渣对染料的最佳吸附条件。阳离子型豆渣对酸性品红吸附的最佳条件:pH为7,温度为30℃,吸附剂质量为0.6g/L,染料初始浓度为50mg/L,吸附时间4.5h,吸附剂粒径选取>60目的,在此条件下进行实验,酸性品红的去除率达到99%。阴离子型豆渣对碱性品红吸附的最佳条件:pH为7,温度为35℃,吸附剂质量为0.5g/L,染料初始浓度为5mg/L,吸附时间1h,吸附剂粒径选取20-60目,在此条件下进行实验,阴离子型豆渣对碱性品红去除率达到99%;而天然豆渣在其最佳吸附条件下,对碱性品红的去除率只能达到93%,表明改性提高了豆渣对碱性品红的去除能力。(3)Langmuir模型能很好的拟合阳离子型改性豆渣对酸性品红的吸附过程(r=0.999,p<0.01),吸附符合单分子层吸附理论,随着温度的升高,最大吸附量由217.39mg/g升高至303.03mg/g;Freudlich和Tempkin都能较好的描述天然豆渣和阴离子型改性豆渣对碱性品红的吸附过程,阴离子型改性豆渣对碱性品红的平衡吸附量达到148.68mg/g,比天然豆渣提高了4.17倍。(4)二级动力学能更好的描述阳离子型改性豆渣对染料的吸附过程。由二级动力学速率常数计算求得的活化能Ea=36.27kJ/mol,表明该吸附过程中存在活性化学吸附;天然豆渣和阴离子型改性豆渣对碱性品红的动力学吸附均满足二级动力学方程和Elovich方程;化学吸附是豆渣吸附碱性品红的重要步骤,离子交换在整个吸附过程中起较大作用。(5)阳离子型改性豆渣对染料的吸附过程是吸热的,自发进行的,该吸附过程中既存在物理吸附,又存在化学吸附;天然豆渣对碱性品红的吸附是放热的过程,是自发进行的,该吸附主要是物理反应;而阴离子型改性豆渣对碱性品红的吸附是吸热的过程,是自发进行的,该吸附主要是化学反应。(6)动态吸附试验表明,Yoom-Nelson模型能更好的描述阳离子型改性豆渣对酸性品红的动态吸附过程。不同柱高、不同流速和不同初始浓度下阴离子型改性豆渣的动态吸附性能均较天然豆渣更好,阴离子型改性豆渣吸附碱性品红的穿透时间和饱和时间均较天然豆渣长。Thomas模型能更好地描述天然豆渣对碱性品红的动态吸附过程。(7)利用NaOH作为解吸剂,无论是静态吸附还是动态吸附,解吸后的阳离子型改性豆渣对酸性品红的吸附效果都比较好,而且都能多次重复利用;利用NaOH作为解吸剂,阴离子型豆渣再生效果也较好,并且优于天然豆渣。
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