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阳离子木屑纤维素吸附剂的制备及其吸附性能与应用研究

作　者: 钱晓荣
导　师: 王连军
学　校: 南京理工大学
专　业: 环境工程
关键词: 木屑纤维素改性机理氧化树脂吸附性能吸附热力学吸附动力学
分类号: X703
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本论文选择季胺基作为功能基,以3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CTA)为醚化剂,对木屑纤维素进行了化学改性,成功制备出季胺化阳离子木屑纤维素吸附剂。通过红外光谱、比表面孔径测定仪、扫描电镜等分析手段对所改性的木屑纤维素进行了理化结构表征。结果表明,改性前后物理结构及形态发生了一定的变化,去掉了附着在纤维表面上的杂质,改性木屑的纤维素结构的有序度得到了提高,纤维素内部沿纵向形成了明显的空心状,改性后比表面积略有降低。木屑改性前后化学结构没有发生大的改变,没有造成木屑纤维结构大的破坏,改性木屑在1380cm-1处有强吸收峰,为C-N键的特征振动,说明功能基已经引入到木屑纤维素骨架上。通过对水溶液中苯酚和2,4-二氯苯酚吸附性能的研究,季胺化阳离子木屑纤维素吸附剂对苯酚和2,4-DCP的吸附容量较未改性前的木屑有所提高,当温度为293 K,Co=20 mg·L-1时,改性木屑纤维素对苯酚和2,4-DCP的吸附容量分别为2.6 mg.g-1、0.681 mg·g-1,其吸附效果是改性木屑表面季胺基团和改性木屑纤维素骨架共同作用的结果,同时与吸附质苯酚和2,4-DCP的理化性质密切相关；改性木屑对苯酚和2,4-DCP的吸附等温线均符合Langmuir和Freundlich两种吸附等温模式,但对Freundlich吸附等温式的符合程度更好,说明了改性木屑对苯酚和2,4-DCP的吸附介于单分子层和多分子层之间。研究表明,苯酚更易于被改性木屑纤维素所吸附,在水溶液中,相反电性离子之间的作用力并不是影响吸附效果的唯一因素,木屑的比表面积和微孔结构等因素也起着重要的作用,木屑纤维素的吸附能力是季胺基和木屑纤维素骨架结构共同作用、协同生效的结果。pH值对苯酚和2,4-二氯苯酚吸附效果影响较大,苯酚在pH为8.0的弱碱性条件下吸附效率较高；2,4-二氯苯酚在pH为6.0的弱酸性条件下吸附效率较高,这也证明了阳离子木屑纤维素吸附剂对酚类化合物的吸附是由于相反电性离子之间的作用力引起的。吸附热力学研究表明,苯酚和2,4-二氯苯酚在改性木屑上的吸附焓变均为负值,并且其绝对值均小于40 kJ·mol-1，表明吸附均为焓推动的放热物理过程,这与吸附等温线的结果是一致的,吸附主要是依靠相反电性离子之间的作用力来实现吸附分离功能的。改性木屑对苯酚和2,4-DCP的吸附是自发的放热过程,这也是吸附驱动力和吸附优惠性的体现。改性木屑对水溶液中苯酚和2,4-DCP的吸附,降低了水溶液体系的混乱度,使整个水溶液体系的有序性得到增强。吸附动力学研究表明,改性木屑对水溶液中苯酚和2,4-DCP的吸附过程主要符合准二级动力学方程,改性木屑吸附水溶液中的2,4-DCP所需活化能和吸附热较小,属于物理吸附；双组分竞争吸附研究结果表明,改性木屑对2,4-DCP的吸附比单宁酸具有较强的亲合力,适合于选择性吸附分子量较小的酚类化合物。此外,用双氧水或纯硝酸氧化的方法制备了新型吸附树脂XR-01和XR-02,氧化后树脂的含氧官能团含量提高,XR-02的酸性基团总含量比XR-01多。经氧化后的XR-01和XR-02树脂,对水溶液中2,4-二氯苯酚的吸附过程存在不可逆化学吸附作用,吸附等温线都能用Langmuir和Freundlich等温吸附方程较好地拟合。应用改性木屑纤维素对污水中2,4-DCP进行吸附,吸附率可达97%左右；采用吸附组合工艺对氟苯废水进行处理,吸附效果良好,苯酚回收率达93%,按照年产生7500吨氟苯生产废水计算,每年回收苯酚的经济收益可达14.73万元,每年可减少向环境排放苯酚22.5吨,经济和环境效益显著。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
1 绪论  13-32
  1.1 吸附的研究发展过程简述  13-15
  1.2 改性纤维的发展及研究现状  15-23
    1.2.1 纤维吸附分离材料  15
    1.2.2 离子交换吸附类型  15-16
    1.2.3 氢键与纤维素吸附关系  16-17
    1.2.4 影响氢键吸附的因素  17-18
    1.2.5 改性纤维素发展概况  18-21
    1.2.6 改性纤维素在水处理中的应用  21-23
  1.3 吸附树脂的发展及研究现状  23-26
    1.3.1 吸附树脂特点  23-24
    1.3.2 吸附树脂发展概况  24-25
    1.3.3 树脂吸附在水处理中的应用  25-26
  1.4 含酚废水处理技术  26-29
    1.4.1 物理法  26-27
    1.4.2 化学法  27
    1.4.3 生化法  27-28
    1.4.4 高级氧化法  28-29
    1.4.5 其他方法  29
  1.5 本论文的研究意义与内容  29-32
    1.5.1 本论文的研究意义  29-31
    1.5.2 本论文的研究内容  31-32
2 阳离子木屑纤维素的制备与结构表征  32-48
  2.1 吸附剂结构对吸附作用的影响  32-33
  2.2 季胺化阳离子纤维素制备反应原理  33-34
  2.3 实验部分  34-39
    2.3.1 仪器和试剂  34-35
    2.3.2 2,4-DCP含量的测定  35-36
    2.3.3 苯酚含量的测定  36-37
    2.3.4 阳离子木屑纤维素吸附率的测定  37
    2.3.5 阳离子木屑纤维素的制备  37-38
    2.3.6 阳离子木屑纤维素的筛选和表征  38-39
  2.4 结果与讨论  39-46
    2.4.1 CTA/MC质量比对阳离子木屑纤维素吸附率的影响  39-40
    2.4.2 反应时间对阳离子木屑纤维素吸附率的影响  40-41
    2.4.3 反应温度对阳离子木屑纤维素吸附率的影响  41-42
    2.4.4 NaOH溶液的质量分数对阳离子木屑纤维素吸附率的影响  42-43
    2.4.5 木屑纤维素改性前后色泽的变化  43-44
    2.4.6 木屑纤维素改性前后红外谱图的变化  44
    2.4.7 木屑纤维素改性前后的比表面积的变化  44-45
    2.4.8 木屑纤维素改性前后的电镜扫描图的变化  45
    2.4.9 木屑纤维素改性前后的紫外谱图的变化  45-46
    2.4.10 木屑纤维素改性前后氮元素含量的变化  46
  2.5 结论  46-48
3 阳离子木屑纤维素对2,4-二氯苯酚的吸附行为研究及机理探讨  48-68
  3.1 概述  48
    3.1.1 物理吸附  48
    3.1.2 化学吸附  48
  3.2 实验部分  48-49
    3.2.1 仪器和试剂  48-49
    3.2.2 静态吸附实验  49
    3.2.3 动态吸附实验  49
  3.3 结果与讨论  49-66
    3.3.1 吸附剂用量对吸附率的影响  49-50
    3.3.2 pH对吸附率的影响  50-51
    3.3.3 初始浓度对吸附效果的影响  51-52
    3.3.4 2,4-二氯苯酚在阳离子木屑纤维素上的吸附等温线  52-54
    3.3.5 吸附动力学研究  54-56
    3.3.6 吸附热力学研究  56-59
    3.3.7 单宁酸和2,4-DCP在改性木屑上的双组分竞争吸附  59-63
    3.3.8 动态吸附性能研究  63-66
  3.4 结论  66-68
4 阳离子木屑纤维素对苯酚的吸附行为研究及机理探讨  68-81
  4.1 实验部分  68
    4.1.1 仪器和试剂  68
    4.1.2 静态吸附实验  68
    4.1.3 动态吸附实验  68
  4.2 结果与讨论  68-79
    4.2.1 吸附剂用量对吸附率的影响  68-69
    4.2.2 pH对吸附率的影响  69-70
    4.2.3 苯酚初始浓度对吸附率的影响  70
    4.2.4 苯酚在阳离子木屑纤维素上的吸附等温线  70-72
    4.2.5 吸附动力学研究  72-73
    4.2.6 吸附热力学研究  73-74
    4.2.7 动态吸附性能研究  74-77
    4.2.8 阳离子木屑纤维素吸附剂对苯酚和2,4-二氯苯酚吸附性能比较  77-79
  4.3 结论  79-81
5 氧化树脂的制备与结构表征  81-87
  5.1 实验部分  81-82
    5.1.1 仪器和试剂  81
    5.1.2 树脂的氧化修饰(双氧水和硝酸对树脂的氧化)  81
    5.1.3 氧化树脂的筛选和表征  81-82
  5.2 结果与讨论  82-85
    5.2.1 氧化树脂的筛选  82-83
    5.2.2 孔径和比表面积  83
    5.2.3 树脂的元素分析和官能团定量分析  83-84
    5.2.4 树脂的红外光谱  84-85
  5.3 结论  85-87
6 氧化树脂对2,4-二氯苯酚的吸附行为研究及机理探讨  87-94
  6.1 实验部分  87-88
    6.1.1 仪器和试剂  87
    6.1.2 静态吸附和脱附实验  87
    6.1.3 小柱动态吸附和脱附实验  87-88
  6.2 结果与讨论  88-92
    6.2.1 静态吸附等温线  88-90
    6.2.2 静态脱附特征和脱附条件的比较  90-91
    6.2.3 小柱动态吸附和脱附  91-92
  6.3 阳离子木屑纤维素吸附剂和氧化树脂吸附性能比较  92-93
  6.4 结论  93-94
7 阳离子木屑纤维素处理水体中的2,4-二氯苯酚  94-96
  7.1 项目来源概况  94
  7.2 实验部分  94-95
    7.2.1 试剂和仪器  94
    7.2.2 分析方法  94
    7.2.3 动态吸附试验  94
    7.2.4 含2,4-二氯苯酚污水处理结果  94-95
  7.3 结论  95-96
8 吸附组合工艺在处理含酚废水中的应用  96-102
  8.1 项目来源与生产工艺概况  96-98
    8.1.1 氟苯生产废水水质及水量  96
    8.1.2 氟苯生产工艺  96-97
    8.1.3 含酚废水处理方法  97-98
  8.2 实验部分  98-100
    8.2.1 经预处理后的含酚废水水质  98
    8.2.2 试剂和仪器  98
    8.2.3 分析方法  98-99
    8.2.4 废水动态吸附实验  99
    8.2.5 实际含酚废水处理结果  99
    8.2.6 社会、经济和环境效益分析  99-100
  8.3 结论  100-102
9 结论与展望  102-106
  9.1 结论  102-104
  9.2 展望  104-106
致谢  106-107
参考文献  107-117
攻读博士学位期间发表的论文情况  117
攻读博士学位期间参加的科学研究情况  117-118
攻读博士学位期间学术成果获奖情况  118

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