糖废制备改性水热炭吸附材料及其对水体中污染物吸附性能的研究

来源 :上海海洋大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qiu829
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水体中有机染料污染和重金属污染已经直接或间接影响到人类的健康,研究者们开发了活性污泥法、化学沉淀法、吸附法等技术用于污水处理中。其中,吸附法因操作方法简单,工艺成本较低,已被广泛应用。但是,传统的吸附剂存在吸附容量小、循环性能差、不易回收等问题,所以探寻吸附能力高、再生性能强、易回收的吸附材料成为近年来吸附领域的研究重点。含糖废水是一种高糖分、高化学需氧量(COD)、色度较深的有机废水,若不经处理直接排放,会消耗水中大量的溶解氧,导致水体发黑变臭。目前,大多采用生物法处理此类废水,但是这类方法耗时长、成本高、工艺流程复杂,并且极大地浪费了其中的糖类物质。如果能利用含糖废水制备水热炭吸附剂来处理水体污染物,可实现污水治理与含糖废水资源化双重目的。传统水热炭的吸附能力较弱,需要炭材料表面引入如亲水性强、表面带负电荷的磺酸基官能团来提高吸附能力。但是,由于水热炭表面含氧官能团少,活性位点较少,不利于引入高密度的磺酸基。研究表明,利用液体氧化剂可以提高炭材料表面的含氧官能团,但是使用氧化剂的过程较危险,还会造成资源浪费,破坏材料的结构。因此,开发合成简单、制备安全、可再生利用的水热炭吸附剂具有很重要的研究意义和使用价值。针对上述问题,在水热过程中一步引入丰富的含氧官能团,无需氧化预处理,提高后续炭材料表面的磺酸基密度显得尤为关键。为此,本文开展了相关研究,主要研究内容和结果如下:(1)首先(第2章),利用无水葡萄糖(作为模型化合物)为炭源,以Fe Cl2,Fe Cl3为改性剂,在水热条件下一步制备了表面含有大量含氧官能团的葡萄糖磁性水热炭(MGHC)。通过对材料进行一系列的表征分析,相比普通的葡萄糖水热炭(GHC),MGHC的表面含氧量提高,比表面积和孔隙体积增大,并且具有较强磁性。然后,通过氯磺酸和二氯甲烷改性,制备了表面富含磺酸基的磁性水热炭,最后将制备好的磺酸基磁性水热炭(MGHC-SA)用于亚甲基蓝(MB)的吸附测试中。研究了溶液的pH值、反应时间、亚甲基蓝的初始浓度和反应温度对磺酸基磁性水热炭吸附亚甲基蓝的性能影响,采用吸附动力学模型、吸附等温线模型、红外光谱和X射线光电子能谱分析对磺酸基磁性水热炭吸附亚甲基蓝的机理进行了讨论。实验结果表明,MGHC-SA对MB具有良好的吸附性能,在理想条件下,MGHC-SA的最大吸附量为869.56 mg/g,且MGHC-SA对MB的吸附符合朗格缪尔模型和伪二级动力学模型。解吸后的吸附材料经过十次循环后,吸附能力保持良好,并且可以通过外加磁场实现固液分离。结果说明合成的磺酸基磁性水热炭是一种高效、循环性能优越的吸附材料,对亚甲基蓝染料具有良好的吸附性能。(2)在第2章中我们已经研究了磺酸基磁性水热炭对亚甲基蓝染料的吸附能力,为了更加深入地研究吸附剂的适用范围,我们在第3章中利用制备的磺酸基磁性水热炭测试了其对重金属离子(Cu2+、Pb2+、Cd2+)的吸附能力。分析了pH值,吸附时间和污染物的初始浓度对磺酸基磁性水热炭吸附能力的影响。通过吸附动力学和吸附等温线分析,发现磺酸基磁性水热炭对三种重金属离子(Cu2+、Pb2+和Cd2+)的吸附符合Langmuir模型和伪二级动力学模型,吸附过程属于单分子层化学吸附。在理想的吸附条件下,MGHC-SA对Cu2+、Pb2+和Cd2+最大的吸附量为33.93、153.33和54.91 mg/g,且经过五次脱附循环后,MGHC-SA的吸附能力仍能保存95%以上,结果说明MGHC-SA可以有效去除水中的重金属离子污染。
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