羧化纤维素/氧化锌纳米棒复合气凝胶的制备及其对印染废水的处理研究

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近20年来,我国工业蓬勃发展,纺织、纸张、印刷、塑料、皮革、化妆品和涂料行业导致产生大量有机染料废水。其中印染废水显色度高、难降解,去除的方法包括过滤、凝絮、生物吸附和生物降解等,但存在操作复杂、成本较高等问题。因此,现阶段迫切需要找到一种成本低且高效的降解染料废水的方法。本研究首先以微晶纤维素(MCC)为原料,经低温冷冻解冻法制备纤维素溶液,采用碱性TEMPO-NaBr-NaClO化学氧化体系对纤维素进行选择性氧化,制得羧化纤维素(CCA);其次,采用煅烧法制备了氧化锌纳米棒;然后,将其与羧化纤维素进行复合、冷冻干燥,制得了不同氧化锌纳米棒混合质量比的羧化纤维素/氧化锌纳米棒复合气凝胶(CCA/Zn O-x);最后,选用阳离子染料亚甲基蓝和阴离子染料刚果红为污染源,以接触时间为影响因素,研究羧化纤维素气凝胶、羧化纤维素/氧化锌纳米棒复合气凝胶对染料废水的去除性能,并建立相关动力学模型对去除机制进行探讨。具体研究内容如下:(1)羧化纤维素气凝胶的制备及其表征以微晶纤维素为原料,利用低温冷冻解冻法制备得纤维素溶液,经碱性TEMPO-NaBr-NaClO化学氧化体系作用,以氧化剂次氯酸钠溶液添加量为变量,制备羧化纤维素,经冷冻干燥制备得羧化纤维素气凝胶。通过羧基含量、微观形貌和孔隙率等研究,发现:羧化纤维素气凝胶具有良好的三维孔洞结构,其孔隙率最高达到89%;且羧基含量随次氯酸钠溶液的添加量增加而增加,最大达到0.725 mmol/g。红外光谱图、元素分析图、X-射线衍射图等表明羧化纤维素气凝胶仍具有稳定的元素组成和晶体结构。综上,该气凝胶有望作为染料废水处理的有效去除剂。(2)羧化纤维素/氧化锌纳米棒复合气凝胶的制备及其表征选用二水合醋酸锌为原料,采用高温煅烧法制备氧化锌纳米棒,以上述最优羧化纤维素作为复合气凝胶的骨架,利用共混法和冷冻干燥法制得羧化纤维素/氧化锌纳米棒复合气凝胶。通过扫描电子显微镜和孔隙率对CCA/ZnO-x复合气凝胶进行微观结构的分析,结果表明:氧化锌纳米棒很好的附着于纤维素表面或穿插在纤维素中;然后复合气凝胶的孔隙率随着氧化锌纳米棒的质量混合比的增加而减小,但仍保持在70%以上。通过FTIR、XRD、EDS、TG等分析结果得到氧化锌纳米棒均匀的分散在纤维素中,并通过一定的作用力和纤维素复合。(3)羧化纤维素/氧化锌纳米棒复合气凝胶在印染废水处理中应用研究以接触时间为单因素变量,使用制备得羧化纤维素气凝胶对染料废水进行处理,探究气凝胶对染料的吸附性能,并建立准一级和准二级吸附动力学模型对吸附过程进行拟合,探究其吸附机理。结果表明:羧化纤维素气凝胶的羧基含量增加,对阳离子染料刚果红的吸附率基本相差不大,最大达到42.81%,而对亚甲基蓝的吸附率逐渐增大然后减小的趋势,最大达到78.18%,且准二级拟合后得到的平衡吸附参数更接近两者的吸附实验相关参数,进一步表明化学吸附占主导过程。进一步探究羧化纤维素/氧化锌纳米棒复合气凝胶去除染料废水的性能,在吸附行为完成之后,在氧化锌纳米棒光催化之后对刚果红和亚甲基蓝的去除率有15~20%的提升,且Langmuir-Hinshelwood(L-H)动力学模型拟合度高,表明该动力学模型是适合的。综上所述,羧化纤维素/氧化锌纳米棒复合气凝胶的制备过程简单,原料成本低,且具有良好的印染废水处理能力。有望为染料去除材料领域提供思路。
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