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改性炭化秸杆处理含磷废水的吸附机理研究

作　者: 刘宇
导　师: 杨尽
学　校: 成都理工大学
专　业: 环境工程
关键词: 炭化秸杆改性磷酸根吸附等温线动力学方程
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

我国是一个农业大国,每年因种植作物会产生大量的作物秸秆,由于生物质能技术尚未推广,大量的秸秆没有得到合理的利用和处置,焚烧和填埋成为了秸秆的主要处理方式,不仅造成了因大量的固体废弃物填埋而浪费土地,导致环境污染和安全危害,而且焚烧还会产生二氧化碳、一氧化碳等一次污染物和因光化学作用导致的更为严重的二次污染,颗粒物还会造成能见度下降,引发交通事故和和航空安全,同时也会产生如火灾、破坏土壤结构等一系列问题。因此,对我国而言,如何合理有效的利用这些作物秸秆,实现变废为宝,化害为利,是从我国的现实国情出发的迫切要求。伴随着生产力的不断提高,人类在自然界中的影响力越发强大。人类在利用科技改变自身环境的同时也给环境带来了严重的负面效应,导致了各种各样的环境污染。水体富营养化在水污染中的危害越来越明显。一方面在人类影响下水体爆发富营养化现象的时间缩短;另一方面无论是河流、湖泊乃至海洋都出现过富营养化问题,爆发面积广,持续时间长,难以消除。一旦水体出现富营养化,无论从景观、气味还是水质上都会给人类造成身体伤害和经济上的巨大损失。所以富营养化现象历来作为水处理中的一个重点且热门的研究课题,如何较快、较好和较有效的根治这一现象,受到了世界各国的广泛关注和研究。固体颗粒物的表面性质决定其具有一定的吸附能力,通过特定的改性处理后能够大大强化这种作用,在使用时不易引入其他污染物;颗粒物的坚固性决定了使用的稳定性;另外使用后可以通过改变外界条件使污染物脱附,吸附剂再生,也能够成为回收贵重金属的一种方法,故近年来成为一种有望替代生物和化学法进行水处理的方法。近年来天然的矿物的改性产物和人工合成的高效吸附剂的性能、结构和利用的研究得到了广泛的开展。本文从农用固体废弃物综合资源化利用和高效除磷吸附剂开发和利用的角度出发,在综合国内外大量相关文献的基础上,以农作物秸秆为原料,在对其物理结构、化学成分、表面化学特性的研究的基础上对其进行化学改性,并且较为系统的研究了其在不同的外界条件下对水溶液中磷酸根离子的吸附性能和机理。研究结果表明,未经改性的炭化秸杆表面电位较低,静电斥力的存在限制了其对磷酸根离子的吸附能力,改性后的炭化秸杆表面电位有较大的提高,可以大大提高其对磷酸根离子的吸附能力。通过对搅拌时间,质量配比,pH和改性时的温度这4个主要因素进行正交试验确定了较好的改性条件。实验表明,在pH=5、温度为20℃、搅拌时间为150分钟,质量比为3作为改性条件时改性效果较好,炭化秸杆表面电位由初始的-17mv～-24mv升高到-6mv～-9mv。静态吸附试验结果表明,大约在100min的时候就能达到吸附平衡;吸附效果随着投加量的增加而提高,投加量大约为0.3g时,去除率就基本达到饱和;pH通过影响水体中磷酸根的形态进而影响炭化秸杆对水体中阴离子的吸附,pH的升高有利于其对磷酸根的吸附,pH在5至8的范围内吸附效果最好;随着初始浓度的提高会造成吸附平衡时间变短,平衡吸附量增加,但是去除率会下降;温度的升高不利于改性炭化秸杆对磷酸根的吸附,这表明了吸附过程是放热过程,降低温度可以提高吸附效果。通过热力学和动力学研究表明,朗阁谬尔等温式和弗伦德力西等温式都能描述吸附过程,但是朗阁谬尔方程更加精确,不仅说明了表面吸附过程的计算结果能够大体符合朗阁谬尔假设,同时也说明了表面有机基团也能发挥一定的作用;能够精确描述整个过程的方程式要从各变量否具有单一函数关系、离子化学势关系是否是决定吸附平衡的唯一因素以及吸附剂的表面化学势作用三个方面进行研究才能得出;整个吸附过程的焓变、吉布斯自由能、熵变都在减小;动力学方程通过准一级和准二级方程的模拟表明了在不同的反应阶段有不同的适应方程,揭示了不同阶段的控制因素不同,在吸附的过程中,内扩散作用会发挥明显的作用。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章引言  11-24
  1.1 选题依据及研究意义  11-18
    1.1.1 选题背景  11-12
    1.1.2 概念阐述  12-17
    1.1.3 选题依据及研究意义  17-18
  1.2 国内外研究现状  18-22
  1.3 研究内容及创新点  22-24
    1.3.1 研究内容  22
    1.3.2 研究技术路线  22
    1.3.3 创新点  22-24
第2章炭化秸杆和含磷废水的特征  24-33
  2.1 炭化秸杆的物理结构  24-26
  2.2 炭化秸杆的化学组成  26
  2.3 炭化秸杆的表面性质  26-27
  2.4 炭化秸杆的吸附机制  27-28
  2.5 炭化秸杆吸附的影响因素  28-30
  2.6 含磷废水的物理化学特征  30-31
  2.7 含磷废水的危害  31-33
第3章实验材料和分析方法选择  33-39
  3.1 药剂和材料  33-34
    3.1.1 主要材料  33
    3.1.2 实验试剂  33
    3.1.3 设备和仪器  33-34
    3.1.4 仪器精密度分析  34
  3.2 水体中磷浓度的测定原理及方法  34-36
    3.2.1 分光光度原理  34-35
    3.2.2 水体中磷浓度的测定方法  35
    3.2.3 钼锑抗分光光度法测磷的原理  35-36
  3.3 炭化秸杆的改性处理方法  36-39
第4章改性炭化秸杆对磷的吸附试验及讨论  39-46
  4.1 平衡吸附时间的确定  39-40
  4.2 投加量对吸附效果的影响  40
  4.3 pH 对吸附效果的影响  40-43
  4.4 初始浓度对吸附效果的影响  43-44
  4.5 温度对吸附效果的影响  44-46
第5章吸附机理研究探讨  46-55
  5.1 吸附动力学研究  46-50
    5.1.1 动力学研究主要方法  46-47
    5.1.2 动力学研究在实验中的应用  47-49
    5.1.3 动力学研究结果的讨论  49-50
  5.2 吸附热力学研究  50-55
    5.2.1 热力学研究主要方法  50-52
    5.2.2 热力学研究在实验中的应用  52-53
    5.2.3 热力学研究结果的讨论  53-55
结论  55-57
致谢  57-58
参考文献  58-61
攻读学位期间取得学术成果  61-62
授予硕士学位人员登记表  62-63

改性炭化秸杆处理含磷废水的吸附机理研究

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