改性烟草秸秆对阴离子污染物的吸附性能研究

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我国农业秸秆量多价廉,秸秆改性制备吸附剂逐渐成为一种研究秸秆高效利用的方式。但目前市场上所售的吸附剂多属于针对性不强的混合应用型,对特定污染物不能达到理想的吸附效果。因此,针对于同一类型的污染物研究相应的专属吸附剂是非常必要的。本研究以烟草秸秆为原材料,采用NaOH+H2O2碱法预处理脱除秸秆中木质素和半纤维素,然后以二甲基二烯丙基氯化铵(DADMAC)(?)Al2(SO4)3为改性剂对秸秆纤维素进行阳离子化改性,制备出针对阴离子污染物的专属吸附剂(AD-MTS)。由单因素试验和正交试验优化出最佳改性条件。通过对吸附条件的控制考察对比AD-MTS对两种阴离子污染物(刚果红、PO43-)和两种阳离子污染物(亚甲基蓝、Cu2+)的吸附效果,印证AD-MTS的阴离子专属吸附性。并通过IR和SEM等表征手段,吸附动力学、吸附等温线等试验研究AD-MT S对刚果红和PO43-的吸附行为,探讨吸附机理。主要研究结果如下。(1)AD-MTS的最佳改性条件为:TS:DADMAC(g/mL)为12,TS:Al2(SO4)3(g/g)为1:2,反应温度80℃、时间为2h,TS:CAN(g/g)为6:1。(2) AD-MTS的比表面积为90.76 m2/g,较TS增大了约1倍,可提供更多的吸附位点。此外,TS和AD-MTS的Zeta电位分别为-10.9mV和24.7mV,正电性加强了AD-MTS与阴离子污染物间的电中和作用。(3)AD-MTS和TS的IR表明预处理已脱除TS中木质素和半纤维素,改性反应成功将DADMAC和Al(或聚铝基团)引入到纤维素上,生成具有Al盐特性的阳离子高聚物。AD-MTS吸附水中阴离子污染物(刚果红和PO43-)的过程中,同时发挥阳离子有机物的电荷中和、吸附桥架、氢键作用以及无机铝盐的空间网捕和络合作用等。SEM照片显示,AD-MTS表面有许多整齐均匀的片状交错重叠,相拥呈花朵状,形成许多细小的孔隙;TS呈不规则的块状重叠结构,较AD-MTS密实。吸附刚果红饱和的改性秸秆(G-MTS)和吸附磷饱和的改性秸秆(P-MTS)与AD-MTS的红外图谱差异是由于吸附过程中各种物理、化学作用影响了AD-MTS中相应官能团的红外吸收所致。G-MTS和P-MTS的结构较AD-MTS紧实。(4)刚果红和PO43-的去除率均随pH的增大而降低,亚甲基蓝和Cu2+则表现出相反趋势。无论处在何种吸附条件,AD-MTS对两种阴离子污染物废水(刚果红和PO43-)的去除效果都明显优于两种阳离子污染物废水(亚甲基蓝和Cu2+)。表明AD-MTS实现了对水中阴离子污染物的高效去除,可作为阴离子污染物的专属吸附剂而应用,电荷中和是其主要吸附作用之一。(5)拟二级动力学模型能够很好地描述刚果红在AD-MTS上的吸附过程,表明AD-MTS对刚果红的吸附主要依靠化学吸附。拟一级动力学和拟二级动力学方程对PO43-的拟合结果表明AD-MTS对PO43-的吸附是由化学吸附和物理吸附联合控制的,其中,化学吸附占主导。颗粒内扩散方程拟合结果表明颗粒内扩散是限制AD-MTS对刚果红的吸附速率的过程,但不是限制PO43-的吸附速率的过程。在20~40℃温度下,AD-MTS对刚果红和PO43-的吸附都符合Langmuir等温模型,拟合计算出的最大吸附量分别为537.63~549.45 mg/g和26.10~27.16 mg/g,证明二者在AD-MTS上的吸附行为属于单层吸附,温度对吸附的影响不大。由Freundlich模型拟合刚果红和PO43-得到的n值均在5左右,表明AD-MTS对刚果红和PO43-的吸附过程均为优惠吸附。(6)在酸性溶液中,Cl-、NO3-和SO42-均会对AD-MTS吸附PO43-起抑制作用,但在碱性环境中,三种离子都表现出一定的促进作用,其中,NO3-的促进效果最佳。混合废水的实际应用中,可根据污染物种类调节废水PH值来提高P的吸附率(7)相同处理条件下,AD-MTS对水中刚果红和PO43-的吸附性能较烟草秸秆、预处理后烟草秸秆以及常用吸附剂(活性炭)都要好,且处理后废水中残留Al3+量小于国家生活饮用水标准。(8)实际应用中,NaO H对G-MTS和P-MTS的适宜解吸条件为:常温下,NaOH浓度分别为0.05mol/L(G-MTS)和0.1 mol/L (P-MTS),解吸时间为30-60min。 AD-MTS对刚果红和PO43-分别进行吸附-解吸循环三次后,去除率仍可达到30~40%,表明AD-MTS具有一定的再生循环利用性。
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