棉秆基活性炭对印染废水中有机物吸附性之农业研究

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论文字数:30554 论文编号:sb2019063014382727100 日期:2019-08-10 来源:硕博论文网
本文是一篇农业论文,本课题以棉秆为原料制备棉秆基活性炭,分析其表面官能团的孔结构和化学性质。并研究了棉秆基活性炭在几种印染废水中常见有机污染物的吸附行为。为棉秆基活性炭在水处理领域的应用提供了理论依据,评价了棉秆活性炭在印染废水处理中的潜在价值,探索了棉秆有效利用的途径。

第 1 章 绪论

1.1 印染废水处理方法与研究现状
1.1.1 印染废水概述
改革开放至今,社会和经济迅猛发展,与此同时环境污染问题日益突出,受到了社会各界的重视。2013 年 5 月,习主席指出:“正确树立保护和改善生态环境意识就是保护和发展生产力的生态文明理念是最造福于人类社会的一项重要工程。我们要正确树立良好的生态文明理念,为推动中国绿色发展道路,引领中华民族实现伟大复兴而奋斗”。所以,当前最重要、最紧迫的任务是采取有效的措施阻止环境的进一步恶化,而其中最棘手的难题是:工业企业的废水排放问题。
随着经济的发展,资源的消耗速度不断加快,尤其是水资源,各种不合理的开采行为,以及污染物的随意排放,使各种水系的污染情况不断的恶化。根据《2017 年中国生态环境状况公报》[1]的数据显示,2017 年国内废水排放总量达到了 684.6 亿吨。化学需氧量排放量达到了 2423.7 万吨;氨氮总排放量达到了 253.6 万吨。具体水系污染方面:全国地表水 1940 个水质断面 (点位) 中,水质符合 I 级至 III 级,占 67.9%,属于Ⅳ~Ⅴ类和劣Ⅴ类占 32.1%。湖泊(水库)状况如下:112 个重要湖泊 (水库) 中,符合 I-III水质要求的水体仅占 62.5%。属于 IV 级至 V 级水质的水体占 37.5%。地下水状况:根据《地下水水质标准》(GB / T14848-93),全国 4929 个监测点的综合评估结果(其中800 个是国家监测点)显示:水质评定结果为“优秀”、“良好”、“相对较好”、“较差”、“极差”的监测点依次有 580 个、1348 个、176 个、1999 个和 826 个,在总监测点中的占比依次是 11.8%、27.3%、3.6%、40.5%、16.8%。
人们生产、生活中使用的水资源,大部分都来自淡水水系,然而中国人均淡水消耗量仅为两千七百立方米。它仅占全球人均淡水资源的 28%[2]。我国可利用的淡水资源存在严重的供需矛盾问题。在过去的几年间,国内经济迅速发展,国民生活水准显著提高,
但与此同时水污染却日益严重。各种污染物被排放到淡水水库中,导致淡水资源紧张问题逐渐恶化,对可持续性发展目标造成了严重的威胁,尤其是印染工厂的污水排放问题,必须引起足够的重视。
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1.2 活性炭制备研究进展
活性炭属于多孔吸附剂,是在高温环境下对各种碳元素含量较高的原料(比如木屑、贝壳、花生壳等)予以炭化处理后得到的。它具有避免二次污染、来源广泛的特点,在环境管理、食品加工、化学,国防和化学污染事故中的应用十分普及。 据有关资料显示,在环境管理相关研究领域,废水处理用活性炭约占 80%。 相关研究重点是重金属废水的处理,有机物的去除,饮用水的净化,污水的三级净化或深度净化。活性炭定向制备理论告诉我们,其结构、性质和原料特性以及活化过程有关,尤其是原料本身的特性。和熔融煤的主要差异在于,生物质具有不融性的特点,在低湿度炭化过程中形成无取向的硬石墨化碳前体。 碳前体的结构决定了热加工后碳材料的结构。一旦原料确定,
此时决定活性炭性能的关键因素就是活化剂类型。用来制备活性炭的方法有很多,包括了两种类型,具体如下:
1.2.1 物理活化法
这种方法的原理,是在高温环境下运用活化剂烧蚀原料表面,以扩充现有的孔并产生新的孔。通常,物理活化方法用于炭化原料以降低非碳组分的占比,在这一过程中有可能会对大分子结构造成影响,从而产生更多的通道。结束炭化过程后,碳前体里面的碳微晶被焦油和无定形碳包裹起来。在活化过程中,未组织的碳发生氧化反应,微晶之间被吸留的微孔打开。随着反应的进行,结晶碳也被氧化、烧蚀,形成更多的孔洞。整个过程不会对设备造成任何影响,并且不会产生对环境有害的物质,不过,这种方法能耗高、反应周期长,产品性能并不太理想。
1.2.2 化学活化法
这种方法需要用到化学试剂,将其和原料充分的接触,试剂的有效成分和炭进行反应,由此得到活性炭。这种方法具有多方面的优势,比如反应时间短,目标产物比表面积大,活性炭性能提高等。从全球范围来看,化学活化法一般都会用到氢氧化钾、磷酸、硫酸、氯化锌、氢氧化钠等。
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第 2 章 活性炭的制备与工艺优化

2.1 试验材料、试剂与仪器
2.1.1 试验材料
实验中用到的棉秆来自新疆阿拉尔市十团的耕地。在实验进行之前,必须对原料进行一系列的处理,具体过程为:剪掉棉秆上的棉桃、枝丫、树叶等,然后在自来水下冲洗, 确保无尘土或其他杂质残留,在晴朗天气下暴晒,直至棉秆质量恒定,然后通过高速植物粉碎机加工成碎状,经过 40 目标准筛(筛孔直径不超过 0.38mm),放置在恒温鼓风干燥箱里面,将温度设置成 50℃,直至质量不变后取出,放置在干燥容器中。
2.1.2 试验试剂

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2.2 活性炭的制备
量取多份质量相等的棉秆,倒入剂料比为 0.5、1、1.5、2、2.5 的硝酸中,添加适量的去离子水溶解活化剂,静置 12 小时。放入恒温干燥箱中保持 50℃下烘干 12 h,取出后转移到 250℃、300℃、350℃、400℃、450℃梯度温度环境下的马弗炉中,热解时间为 1 h、1.5 h、2 h、2.5 h、3 h 五种不同时间。取出后冷却标记备用。
通过静态氮气吸附仪测量棉秆活性炭比表面积以及孔径两项指标。具体操作流程为:将样本放置在 350℃真空环境下 2h,确保无杂质气体残留。然后转移到 77K 温度环境下,使用氢氯混合气,被吸附气体和载气分别选择液氮和氯气进行实验。实验过程中确保进样器中的温度为-195.8℃,首先将样品放置在液氮中,考虑到范德华力的存在,氮分子被吸附,进入吸附平衡状态后,和标准样品吸附量、比表面积不确定的物质的吸附量进行比较,基于氮气吸附等温线纷以及 BET 方程,确定目标样品的比表面积,根据BJH 模型确定中、大孔分布情况,根据 t-plot 法(式 2-2)确定微孔分布情况。

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第 3 章 活性炭对亚甲基蓝的吸附试验与分析............................. 25
3.1 吸附试验方法............................25
3.2 结果与分析..........................25
第 4 章 棉秆基活性炭对苯酚的吸附..................................30
4.1 吸附试验方法..................................30
4.2 结果与分析..................................30
第 5 章 棉秆基活性炭对偶氮类染料的吸附...............................34
5.1 吸附试验方法....................................34
5.2 结果与分析..................................34

第 6 章 棉秆基活性炭对蒽醌类染料的吸附

6.1 吸附试验方法

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第 7 章 结论与展望

7.1 结论
在本课题的研究中,使用农业生产中的棉秆制备活性炭,以亚甲基蓝的吸附效果为指标优化制备工艺,并对其进行表征测定,在将其应用于吸附印染废水中的有机物,得到结论如下:
(1)棉秆是一种廉价的多孔吸附材料,炭化过程继承了松散多孔的结构特征。表面含有一定量的石墨微晶结构,并含有多种含氧官能团,如羟基、羧基等。同时含有一定的芳环和脂肪族等结构,通过活化剂能够使棉秆基外部结构以及含氧官能团组成和含量发生改变,因此棉秆基活性炭是一种孔隙结构发达的吸附剂。并且在 300℃-400℃范围内提高热解温度,可以增加含氧官能团的含量,提高棉秆基活性炭的吸附效果。
(2)以棉秆基活性炭对水中亚甲基蓝的最大吸附量为指标,制备棉秆基活性炭的最佳工艺条件是:热解温度 350℃、热解时间 150min、剂料比 1,该条件下棉秆基活性炭对亚甲基蓝的最大吸附值为 678.14mg.g-1。以此条件下制备的棉秆基活性炭,通过对实际印染废水中最常用的几种有机染料的吸附试验,可以清楚地发现,棉秆基活性炭对各种有机污染物的最佳吸附率均可达 80%以上,且大部分能达到 90%以上,其中的蒽醌类染料弱酸艳绿 GS,在特定的条件下吸附率更是达到了 99%。由此可见,棉秆基活性炭对印染废水具有显着的吸附作用,具有较高的吸附率和吸附速率。
(3)棉秆基活性炭吸附废水中有机污染物的吸附动力学过程可以用 Lagergren 准二级吸附动力学模型解释,等温吸附模型符合 Freundlich 等温吸附模型。表明棉秆基活性炭对废水中有机物的吸附过程是一个动态吸附多个作用过程综合作用的化学吸附过程。其中 Freundlich 等温吸附模型的吸附指数 1/n 在 0~1 之间,为有利吸附,且用 Lagergren准二级吸附动力学模型能够更准确的解释棉秆基活性炭吸附有机物的过程。
参考文献(略)

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