小麦秸秆吸附剂的制备及其对溶液中磷酸根的吸附性能研究

【摘要】：在综合国内外大量相关文献的基础上，本论文选用农作物秸秆中的小麦秸秆为原料，对其进行化学改性，制备生物炭质吸附剂，并通过对水溶液中磷酸根吸附性能的研究，考察其应用于含磷富营养化废水治理的可能性。通过正交实验检测了氯化锌法改性小麦秸秆制备生物炭质吸附剂过程中浸渍比、活化温度、活化时间、氯化锌溶液质量浓度等因素的影响，确定了改性的最佳工艺条件，通过静态实验和动态实验，研究了多种外源因素对磷酸根吸附效果的影响，并讨论了吸附热力学和吸附动力学，为秸秆等生物质规模化应用于废水治理提供科学依据。主要研究内容和结果如下： 利用氯化锌改性小麦秸秆，制备了生物炭质吸附剂。考察了氯化锌溶液质量浓度、浸渍比、活化温度和活化时间等因素对产品吸附性能和得率的影响。实验结果表明：氯化锌法制备小麦秸秆生物炭质吸附剂时，浸渍比和氯化锌溶液质量浓度的适当增大有利于提高小麦秸秆生物炭质吸附剂的得率及其对磷酸根的去除率。随着活化温度的升高和活化时间的延长，小麦秸秆生物炭质吸附剂对磷酸根的去除率逐渐增大，吸附剂的得率逐渐减小。正交实验得到最佳工艺条件为：氯化锌溶液质量浓度250g/L，浸渍比2.2:1，活化温度600℃，活化时间45min，在该条件下生物炭质吸附剂的得率为37.85%，对磷酸根的去除率为99.33%。 利用改性小麦秸秆制备的吸附剂对含磷废水进行了静态吸附研究。采用平衡吸附法研究了秸秆投加量、溶液pH、溶液初始浓度、温度和反应时间对改性小麦秸秆吸附水溶液中磷酸根的影响。结果表明：pH在中性和偏碱性范围时，改性小麦秸秆对磷酸根的吸附效果较好，去除率均大于95%；随着温度的升高，改性小麦秸秆对磷酸根的最大吸附量(Qmax)逐渐减小，温度从293K上升到313K，改性小麦秸秆对磷酸根(以P计)的最大吸附量(Qmax)由59.20mg/g减小至56.23mg/g，Langmuir等温模式能更好地描述改性小麦秸秆对磷酸根的等温吸附效果；改性小麦秸秆对磷酸根的吸附为快速吸附，20min即可达到吸附平衡；三种温度下的吉布斯自由能变化量ΔG和焓变化量Δ H均为负值，说明改性小麦秸秆对磷酸根的吸附是一个放热过程，能自发进行。 利用改性小麦秸秆对含磷废水进行了动态吸附研究。结果表明：溶液流速、磷酸根的初始浓度、pH等因素对动态吸附有很大的影响。增大流速，穿透体积减小，穿透时间提前，秸秆的平衡吸附量降低；在同一流速下，增大磷酸根溶液初始浓度，秸秆的平衡吸附量增大；溶液pH和温度对秸秆的吸附能力影响不大；增加吸附剂用量有利于水体中磷酸根的去除，但吸附剂用量增加太大，反而会增加水流阻力和操作成本。最佳操作条件：溶液的流速为5mL/min，浓度为50mg/L，pH为7左右。 【关键词】：小麦秸秆 氯化锌 生物炭质吸附剂 磷酸根 静态吸附 动态吸附 热力学 动力学
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要8-10
• Abstract10-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 农作物秸秆的化学组成12
• 1.1.1 秸秆的一般化学成分12
• 1.1.2 秸秆中的纤维素类物质的组成12
• 1.2 秸秆主要组成成分的化学性质与作用12-15
• 1.2.1 纤维素12-13
• 1.2.2 半纤维素13
• 1.2.3 木质素13-15
• 1.2.4 其他组分15
• 1.3 纤维吸附材料及其制备方法15-16
• 1.3.1 纤维吸附材料15-16
• 1.3.2 制备方法16
• 1.4 国内外农作物秸杆的综合利用现状16-17
• 1.5 农作物秸秆的主要用途17-19
• 1.5.1 农作物秸秆用作肥料17
• 1.5.2 农作物秸秆用作饲料17
• 1.5.3 农作物秸秆用作燃料17-18
• 1.5.4 农作物秸秆用作工副业生产原料18
• 1.5.5 农作物秸秆用作养食用菌18
• 1.5.6 农作物秸秆用作生产绿色建材18
• 1.5.7 农作物秸秆用作生产植物纤维制品18
• 1.5.8 农作物秸秆用作秸秆反应堆18
• 1.5.9 农作物秸秆制成生物质炭粒18
• 1.5.10 农作物秸秆用作替代麸皮18-19
• 1.6 农作物秸秆纤维改性的研究进展19-20
• 1.7 水体中磷酸根离子的危害20
• 1.8 水体中磷的处理技术20
• 1.9 本课题的研究意义和研究内容20-21
• 1.10 本课题拟解决的关键性问题21-22
• 第2章 材料与方法22-26
• 2.1 材料与设备22-23
• 2.1.1 实验材料22
• 2.1.2 实验仪器与设备22-23
• 2.1.3 实验药品23
• 2.2 实验方法23-26
• 2.2.1 吸附实验方法23
• 2.2.2 测定方法23-24
• 2.2.3 磷酸根浓度的测定24-26
• 第3章 小麦秸秆生物炭质吸附剂的制备26-35
• 3.1 实验方法26-28
• 3.1.1 改性剂的选择26
• 3.1.2 生物炭质吸附剂改性条件的优选26-27
• 3.1.3 改性试验方法27
• 3.1.4 生物炭质吸附剂对磷酸根的吸附试验27
• 3.1.5 指标计算27
• 3.1.6 扫描电镜分析27-28
• 3.2 实验结果与讨论28-33
• 3.2.1 最佳改性剂的选择28
• 3.2.2 原状、炭化、氯化锌改性小麦秸秆对磷酸根吸附效果的对照28-29
• 3.2.3 最佳改性条件的确定29-33
• 3.2.4 小麦秸秆改性前后结构的变化33
• 3.3 本章小结33-35
• 第4章 改性小麦秸秆对水中磷酸根的吸附效果研究35-51
• 4.1 改性小麦秸秆对水中磷酸根的静态吸附研究35-41
• 4.1.1 吸附热力学研究的主要模式35-36
• 4.1.2 吸附动力学研究的主要模式36-38
• 4.1.3 改性小麦秸秆投加量对吸附效果的影响研究38
• 4.1.4 溶液初始 pH 对吸附效果的影响研究38-39
• 4.1.5 溶液初始浓度对吸附效果的影响研究39-40
• 4.1.6 温度对吸附效果的研究40-41
• 4.2 吸附热力学41-42
• 4.3 吸附动力学42-45
• 4.3.1 不同初始浓度的吸附动力学研究42-43
• 4.3.2 不同温度的吸附动力学研究43-45
• 4.4 改性小麦秸秆对水中磷酸根的动态吸附研究45-49
• 4.4.1 KH_2PO_4溶液的流速对穿透曲线的影响45-46
• 4.4.2 KH_2PO_4溶液的初始浓度对穿透曲线的影响46-47
• 4.4.3 KH_2PO_4溶液的 pH 对穿透曲线的影响47-48
• 4.4.4 KH_2PO_4溶液的温度对穿透曲线的影响48-49
• 4.4.5 吸附剂对穿透曲线的影响49
• 4.5 本章小结49-51
• 结论51-53
• 参考文献53-58
• 致谢58-59
• 附录59

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