手机知网 App
24小时专家级知识服务
打 开
手机知网|搜索

改性麦糟吸附剂处理重金属废水的研究

李青竹

  重金属废水来源广泛,是重金属的重点污染源,严重危及饮用水安全及国民健康。目前主要采用的传统石灰中和沉淀法已无法满足我国日趋严格的环保要求,迫切需要研发重金属废水高效深度净化新方法。我国产量居世界第一的啤酒行业产生大量废麦糟,不仅严重污染了环境,而且浪费了宝贵资源。因此,本文针对废水中重金属离子深度去除难的问题,选用啤酒工业废产物麦糟为主要原料,以深度净化为目标,开展深层的理论基础研究及重金属废水处理研究,以制备高效的吸附剂。主要研究内容及创造性成果如下: 借助核磁共振等现代分析手段,研究确定了所使用麦糟的组成和结构特征。麦糟的主要成分为:纤维素(23.6%)、半纤维素(18.9%)、木质素(11.5%)和蛋白质(22.3%),其中富含羟基,表现出多元醇的性质。麦糟本身具有吸附重金属离子的能力,同时又能够发生酯化等一系列化学反应,为引入有利于吸附重金属离子的功能基团提供了有利条件。 基于麦糟的组成和结构特征,利用Materials Studio 4.0软件的DMol3模块构建了麦糟含有的和可能引入的各基团(羟基、氨基、酰胺基、羧基、巯基)与不同重金属离子(Cu2+)、Pb2+、Zn2+、Cd2+、Ag+)形成配合物的稳定构型,并计算各配合物的前线轨道能量,提出了配体基团吸附重金属离子能力的判据,从而为麦糟改性制备高效的吸附剂提供了重要理论依据。 未改性麦糟具备一定的吸附重金属离子的能力,但是吸附效果不佳。因此,系统进行了麦糟改性方法研究。盐浸泡改性法研究发现氯化钠改性麦糟对Pb2+\Ag+有一定的吸附效果,其对Pb2+\Ag+的理论饱和吸附量分别为34.2mg·g-1和158.23mg·g-1。吸附机理主要涉及:少量的物理吸附作用;Na+与pb2+和Ag+之间的离子交换作用;以及含氧、含氮和含氯基团与Pb2+\Ag+的配合作用。 基于分子设计,研发了快速酯化改性麦糟的新方法:优选次亚磷酸钠(NaH2PO2H2O)为催化剂、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为反应介质、在m(柠檬酸):m(麦糟):m(次亚磷酸钠):v(DMF)=1:5:1:25、改性温度140-150℃、改性时间2h的条件下制备了酯化改性麦糟吸附剂。酯化改性麦糟对各重金属离子的饱和吸附量分别为:Cu2+-129.03 mg·g-1Pb2+-393.70 mg·g-1、Zn2+-269.54 mg·g-1、Cd2+-471.70 mg·g1-、Ag+-239.23 mg·g-1,较文献报道的大多数吸附剂的饱和吸附量要高,而且具有吸附多种重金属离子的能力。其吸附机理主要涉及:物理的静电吸引作用以及富含的羟基和酯化改性引入的羧基基团的配合作用,吸附过程主要通过C—O键所连的氧原子与重金属离子配合完成。 研究了巯基化改性麦糟的新方法:优选硫酸氢钠(NaHSO4H2O)为催化剂、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为反应介质、v(巯基乙酸):m(麦糟):m(硫酸氢钠):v (DMF):m (Na2S-9H2O)=25:5:0.125:12.5:30、改性温度120℃、反应时间3h的条件下,并选用Na2S·9H2O在无水乙醇介质中还原1h将反应过程中被氧化的巯基还原出来,制备了巯基化改性麦糟吸附剂。巯基化改性麦糟对各重金属离子的饱和吸附量分别为:Cu2+-188.32 mg·g-1, Pb2+-300.30 mg·g-1. Zn2+-353.36mg·g-1、Cd2+-420.17 mg·g-1\Hg2+-221.73 mg·g-1。吸附机理主要涉及:物理的静电吸引作用以及富含的羟基和改性引入的巯基基团的配合作用。其中Cu2+吸附于巯基化改性麦糟的情况较特殊,Cu2+发生了价态变化,从正二价降为零价,同时形成了环状化合物,该环状化合物具有较高的稳定化能。 应用不同改性方法制备得到的吸附剂吸附各重金属离子的动力学和热力学规律相似。吸附过程均符合拟二级动力学方程;吸附反应的活化能处于8.4-83.7 kJ·mol-1范围内,说明改性麦糟吸附剂吸附重金属离子是活性化学吸附;吸附过程焓变为正值表明吸附为吸热过程;而Gibbs自由能为负值说明吸附反应在实验研究的温度范围内为自发的。 与酯化改性麦糟相比,巯基化改性麦糟对Cu2+、Zn2+的理论饱和吸附量更大,这是由于Cu和Zn与巯基乙酸所形成配合物的稳定化能比其与柠檬酸所形成配合物的稳定化能高。酯化改性麦糟和巯基化改性麦糟对各重金属离子的竞争吸附能力略有差别,分别为:Pb>Cu>Cd> Zn> Ag和Cu> Pb> Cd> Zn。研究结果与基团配位理论计算结论基本一致。 研制的酯化改性麦糟和巯基化改性麦糟吸附剂在重金属废水深度处理中具有极大的应用潜力。……   
[关键词]:重金属废水;麦糟;改性;基团配位;吸附剂;吸附机理
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中南大学2011年