【摘要】： 現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展產(chǎn)生了大量含重金屬廢水,對環(huán)境和人體健康造成嚴重危害。如何消除重金屬的危害并有效地回收貴重金屬是當今環(huán)境保護工作面臨的突出問題。生物吸附技術(shù)作為新興的重金屬去除技術(shù),愈來愈受到人們的關(guān)注。與傳統(tǒng)的重金屬離子去除方法相比,生物吸附法的吸附原料來源廣泛,且在原料的成本及環(huán)境保護方面顯示出較大的優(yōu)勢,因此具有廣闊的應用前景。 本論文選用農(nóng)林廢棄物質(zhì)橘子皮(OP)為原料,對其進行化學改性,制備了一系列重金屬離子生物吸附劑,并通過對水溶液中Cu2+,Pb2+,Cd2+,Zn2+和Ni2+吸附行為的研究,考察了改性橘子皮生物吸附劑的吸附性能。采用現(xiàn)代分析檢測技術(shù),如BET-N2吸附法、紅外光譜分析和掃描電鏡等,對改性前后橘子皮的比表面積、表面電荷、結(jié)構(gòu)、形貌進行了表征,探討了橘子皮化學改性的機理,優(yōu)化了改性反應的條件。通過靜態(tài)吸附實驗,考察了在不同加入量、pH、溫度、初始濃度以及干擾離子存在的條件下,改性橘子皮生物吸附劑對重金屬離子吸附效果的影響,并對吸附熱力學及吸附動力學行為進行了研究；同時,對改性橘子皮的再生技術(shù)以及對含金屬離子的實際工業(yè)廢水的處理效果進行了試驗。通過動態(tài)吸附實驗,測定了不同床層高度、不同流量和不同初始濃度下的透過曲線,考察了床層高度、溶液流速和初始濃度對吸附過程的影響。 用氫氧化鈉、氫氧化鈉和氯化鈣以及丙烯酸甲酯對橘子皮分別進行了皂化、皂化交聯(lián)和接枝共聚三種方式改性處理。改性研究結(jié)果表明,使用氫氧化鈉、氫氧化鈉和氯化鈣以及丙烯酸甲酯對橘子皮進行改性時,反應物料配比、各反應階段的反應溫度和反應時間等因素影響改性橘子皮的吸附容量以及改性物質(zhì)產(chǎn)率或接枝率。在結(jié)構(gòu)形貌方面,掃描電鏡觀察表明,與OP相比,皂化改性橘子皮(SOP)和皂化交聯(lián)改性橘子皮(SCOP)的表面變得粗糙多孔,比表面積增大；在表面電性方面,Zeta電位和總負電荷測定結(jié)果表明SOP和SCOP表面所帶的負電荷增多,有利于與重金屬離子相互吸引。IR圖譜分析表明皂化及皂化交聯(lián)改性使橘子皮中甲酯化的羧基水解為羧基,活性官能團的數(shù)目提高。接枝共聚改性后的橘子皮(OPAA)由于分子表面接枝聚丙烯酸,使外觀形貌變得光滑,比表面積減少,但由于羧基官能團數(shù)目的劇增,使表面所帶負電荷隨之急劇增加。IR圖譜分析也表明聚丙烯酸被接枝到主要組成的分子上。 靜態(tài)吸附實驗結(jié)果表明,吸附過程的最佳pH值為5.0-6.0；隨著固體吸附劑加入量的提高,改性橘子皮對水溶液中重金屬離子的去除率也隨之提高,當固液比為4 g/L時,SOP和SCOP對水溶液中Cu2+,Pb2+,Cd2+,Zn2+和Ni2+具有較好的吸附效果；除SCOP對Cd2+的吸附外,所有其它吸附過程的吸附量隨溫度的升高而減小,熱力學數(shù)據(jù)說明改性橘子皮生物吸附劑對重金屬離子的吸附過程是自發(fā)進行的、熵減小的放熱過程。改性橘子皮生物吸附劑對重金屬離子的吸附均符合Langmuir等溫吸附模式。與OP相比,SOP、SCOP和OPAA對水中重金屬離子的吸附容量均得到提高,特別是OPAA,對Cu2+,Pb2+, Cd2+,Zn2+和Ni2+的吸附容量比改性前分別提高了6.5,4.3,4.6,18.5和16.5倍,也優(yōu)于文獻記載的其它生物吸附材料的最大吸附容量。SOP和SCOP對水溶液中重金屬離子的吸附是一個符合準二級動力學方程的快速吸附過程,20min達到吸附平衡。OPAA對重金屬離子的吸附在2h基本達到平衡,吸附反應速率先快后慢,吸附過程符合準二級動力學方程,而且吸附過程由膜擴散和顆粒內(nèi)擴散聯(lián)合控制,顆粒內(nèi)擴散速率大小是決定整個吸附反應速度的關(guān)鍵。水溶液中常見的K+、Na+、Ca2+、Mg2+陽離子的存在以及其它重金屬離子的存在對改性橘子皮生物吸附劑吸附性能的影響比較復雜,沒有確定的規(guī)律可循,總體來說重金屬離子的存在對吸附的遏制作用大于常見陽離子。使用0.1mol/L HCl溶液對吸附飽和的改性橘子皮生物吸附劑解吸,解吸率可達到90%以上。通過3-4次吸附-解吸循環(huán)試驗表明,改性橘子皮的吸附容量未發(fā)生明顯的變化,可以循環(huán)利用。 SCOP的動態(tài)吸附過程研究表明,較大的流速、較高的初始濃度和較短的床層長度將使床層穿透加快。根據(jù)靜態(tài)吸附實驗結(jié)果,將Pb2+和Zn2+混合溶液在pH 2.5時通過裝有SOP、SCOP和OPAA的固定床進行分離,結(jié)果表明可以通過裝有這三種吸附劑的固定床實現(xiàn)水溶液中Pb2+的富集、Pb2+與Zn2+的分離或從Zn2+溶液中富集Pb2+。 使用改性橘子皮生物吸附劑對實際水樣進行了處理,結(jié)果表明,經(jīng)過改性橘子皮生物吸附劑的吸附,廢水中重金屬離子含量達到了國家工業(yè)廢水的排放標準。 吸附過程中溶液的pH降低、Na+、K+、Ca2+和Mg2+的釋放量測定結(jié)果以及紅外光譜、能譜和X-熒光光譜分析結(jié)果表明,在改性橘子皮生物吸附劑吸附重金屬離子過程中以離子交換機制為主。 通過本研究,獲得了高效利用廢棄物質(zhì)橘子皮和凈化重金屬污染廢水的基礎性數(shù)據(jù),對實現(xiàn)資源綜合利用具有經(jīng)濟和環(huán)境雙重意義,為生物廢棄物質(zhì)的資源化及深度利用提供一種新的思路,并為開發(fā)高效、低成本的重金屬污染治理技術(shù)奠定良好的基礎。
【學位授予單位】：中南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：X703

【引證文獻】

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本文編號：2666820