论文部分内容阅读
地下水受人为因素及地质条件的影响通常含有过量的铁锰离子，饮用后会严重影响人们的身体健康，高铁锰地下水对工农业生产也会造成一定影响，严重制约了地下水的利用及当地经济的快速发展，因此发展有效的方法去除地下水中铁锰势在必行。传统的去除地下水中铁锰的方法存在很多的弊端，成本较高且操作复杂。生物吸附法以其成本低廉，操作简便，吸附效果好，不会对环境造成二次污染的特点，逐渐成为人们关注的去除水中重金属的新技术。开展生物吸附法去除地下水中铁锰的研究，具有十分重要的现实意义。本研究选取工农业废弃物稻壳灰、酵母、稻壳为生物吸附剂对地下水中的铁锰进行去除。稻壳是稻谷加工过程中的副产物，产量丰富，堆置或燃烧既浪费资源又污染环境；稻壳灰是稻壳燃烧后的产物，大的比表面积和多孔性的结构使其可以成为优良的吸附剂材料；酵母是啤酒生产过程的副产物，产量丰富，且对金属离子有很好的吸附能力。以上述三种物质作为吸附剂主体，在实现地下水中过量铁锰离子去除的同时，实现以废治废的目的。本论文的研究内容主要是对三种吸附剂进行特性表征，对比其作为生物吸附剂的可行性，并推测吸附的机制。然后，通过静态批次试验，考察Fe（Ⅱ）、Mn（Ⅱ）吸附过程的影响因素，得到吸附的最佳条件，在此基础上进行吸附等温线和动力学研究。本论文得到的主要研究成果如下：吸附剂特性表征方面，应用Boehm滴定法对吸附剂表面官能团进行定量分析，结果表明稻壳灰、酵母、稻壳表面的碱性官能团含量大于酸性官能团，并且羧基官能团含量最多，其次是酚羟基，内酯基含量较少。表面官能团是吸附Fe（Ⅱ）、Mn（Ⅱ）离子的重要活性基团。利用比表面积测定仪和孔径分析仪对吸附剂的比表面积和孔结构表征结果表明：稻壳灰的比表面积最大，为58.3863m2g-1，稻壳的平均孔直径最大，为71.5268，且稻壳灰的总孔容最大，为0.0402cm3g-1。大的比表面积和孔容积，有利于稻壳灰对Fe（Ⅱ）、Mn（Ⅱ）离子的吸附。对稻壳灰和酵母固定化后的球体直径分别在5–6mm和4–5mm左右，两种固定化吸附剂的机械强度都较高，且完整度达到99%。利用扫描电镜分析了吸附剂的表面形态，吸附材料的表面形态结构在一定程度上会影响其对金属离子的吸附。另外，研究利用微观手段红外光谱，X-射线衍射和X-射线荧光光谱对吸附剂的组成成分进行分析。稻壳表面主要含有纤维素类的官能团，且有无定型的SiO2存在；稻壳灰主要由SiO2组成，元素含量分析也证明了稻壳灰中含有大量的Si和O元素；酵母主要由糖类和蛋白质组成，含有—OH、—COOH、N—H等官能团。吸附剂表面的官能团可能与Fe（Ⅱ）、Mn（Ⅱ）离子发生了静电吸附和络合反应，也是吸附过程中的主要吸附机制。另外，X-射线荧光光谱测定了吸附Fe（Ⅱ）、Mn（Ⅱ）前后吸附剂的元素含量变化，推测吸附过程中存在离子交换机制。通过静态吸附过程的影响因素分析，得到三种吸附剂对Fe（Ⅱ）和Mn（Ⅱ）吸附的最佳pH值分别5和6。稻壳灰、酵母、稻壳对Fe（Ⅱ）吸附的最适吸附剂用量分别为0.6g/100mL、0.8g/100mL、1g/100mL，吸附反应达到平衡时间分别是50min、60min、60min。稻壳灰、酵母、稻壳对Mn（Ⅱ）吸附的最适吸附剂用量分别为0.8g/100mL、1g/100mL和1g/100mL，吸附反应达到平衡时间是60min。吸附等温线研究结果表明：Langmuir方程能更好的拟合稻壳灰、酵母、稻壳对Fe（Ⅱ）的吸附过程，相关系数R2分别为0.995、0.995、0.997，且对Fe（Ⅱ）的饱和吸附量分别为6.211mg/g、4.464mg/g和4.049mg/g。稻壳灰、酵母、稻壳对Mn（Ⅱ）的吸附过程也更符合Langmuir方程的拟合结果，相关系数R2分别为0.9862、0.9936、0.9899，且对Mn（Ⅱ）的饱和吸附量分别为3.016mg/g、2.229mg/g和1.899mg/g。稻壳灰对Fe（Ⅱ）和Mn（Ⅱ）的吸附能力最大。吸附动力学研究结果表明：准二级动力学模型能更好的拟合稻壳灰、酵母、稻壳对Fe（Ⅱ）的吸附过程，相关系数R2分别为0.995、0.992、0.993。同样的，Mn（Ⅱ）的吸附过程也更符合准二级动力学模型，相关系数R2分别为0.997、0.990和0.985。且稻壳灰对Fe（Ⅱ）和Mn（Ⅱ）的初始吸附速率最大。