麦草阴离子吸附剂的研制及对磷酸根的吸附性能研究

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中国具有丰富的麦草秸秆资源,但是其中大量的麦草秸秆没有得到合理利用,而是直接被丢弃或者焚烧,导致很多环境污染和安全事故问题。并且水体中过多的磷酸根等阴离子能够引起对人体健康的危害以及严重的水体富营养化问题,本文在原有方法基础上合成得到一种新型麦草阴离子吸附剂,并用于水中磷酸根的吸附。本研究首先确定传统合成方法的最佳合成条件,即以环氧氯丙烷作为醚化剂,在吡啶的催化作用下,与三乙胺发生交联反应,通过接入季胺基团,改变麦草秸秆的表面电性和对水中磷酸根的去除性能。在不同物料投加量、反应温度和反应时间等条件下,将麦草秸秆进行改性,并研制出一系列阴离子吸附剂;通过单因素实验和正交试验,以改性后麦草秸秆对磷酸根的去除效果和改性麦草表面电性为指标,确定了最佳改性条件并得到了最佳改性产物;在最佳改性条件下,利用交联剂替换催化剂,合成得到新型麦草阴离子吸附剂;利用多种化学方法和现代分析技术,如扫描电镜技术、微电泳测定技术、元素分析技术和红外光谱技术等,对交联剂改性后麦草和催化剂改性后麦草的结构形貌、比表面积、表面电荷和组成元素进行了表征,并与原麦草进行对比。结果表明在麦草秸秆的改性过程中,各物料配比、各反应阶段的反应温度和反应时间等都是影响改性效果的较为关键的因素,因此改性过程中要严格控制改性条件。麦草秸秆在改性后,部分物理化学性质发生了很大的变化。在结构形貌方面,改性后秸秆表面更加光滑,并且沿纵向出现很多空腔;在表面电性方面,改性前秸秆表面带负电荷,改性后秸秆表面带正电荷;在元素含量方面,改性后秸秆的含氮量大大增加。表征结果同时表明利用交联剂对麦草进行改性更有利于改变麦草的表面结构,使其表现出更高的吸附性能。本研究还在实验室内通过静态吸附法对改性麦草秸秆对模拟水中磷酸根的吸附效果进行了详尽的研究;同时根据各种吸附动力学模式,计算出相应的动力学速率常数及反应级数;并根据动态吸附试验,确定其最大吸附容量。结果表明改性后麦草秸秆对水中磷酸根的吸附量大大增加。改性麦草有较宽的投加量范围,能保证对磷酸根具有良好的去除效果。改性麦草对水中磷酸根的去除效果受pH的影响比较大,pH在5~10之间,吸附效果最佳。去除效果受温度的影响较小,这使得改性麦草秸秆在实际应用中能够免受季节的限制。改性后麦草秸秆对阴离子的去除速度很快,在15 min内即可完成整个吸附过程,达到吸附平衡。伪二级动力学方程和颗粒内扩散方程可以较好的描述吸附过程,吸附过程受颗粒内扩散控制,但颗粒内扩散控制不是唯一的速率控制步骤。反应活化能为5.86 KJmol-1,在物理吸附反应活化能范围(0~40 1(J·mol-1)内,说明该吸附过程为物理吸附,具有快速吸附的特点。
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