【摘要】：隨著工業(yè)化、城市化進程的加快,全球性的資源短缺、環(huán)境污染等問題日益凸顯。牡丹殼是牡丹籽脫殼后的副產(chǎn)物,在享有“千年帝都,牡丹花城”美譽的古都洛陽,每年會產(chǎn)生大量的牡丹殼廢棄物,造成資源的浪費和環(huán)境污染。利用農(nóng)林生物質(zhì)資源牡丹殼,研究開發(fā)高效的吸附材料,應(yīng)用于廢水處理的過程中,具有重要的科學(xué)價值和現(xiàn)實意義�；诖�,本文以廢棄牡丹殼(PSC)為原料,通過改性方法的篩選、工藝條件的優(yōu)化,制備了亞氨基二乙酸改性牡丹殼(IDA-PSC)、氫氧化鈉改性牡丹殼(AP-PSC)和硝酸改性牡丹殼活性炭(NA-PSCAC)三種牡丹殼基吸附材料,并將其應(yīng)用于對水中銅離子和亞甲基藍的吸附上,對吸附過程的影響因素、吸附機理以及所制備吸附材料的循環(huán)使用性能進行了詳細的探討。通過考察不同條件下亞氨基二乙酸改性牡丹殼對Cu(Ⅱ)的去除率,確定適宜的制備條件為:氫氧化鈉溶液濃度3.0 mol L~(-1)、環(huán)氧氯丙烷用量30 mL、亞氨基二乙酸用量2.0 g、氨基乙酸化反應(yīng)時間16 h,并在此條件下制備了IDA-PSC。采用掃描電鏡、氮氣吸附和紅外光譜對材料進行了表征,結(jié)果表明:IDA-PSC的表面孔洞被充分打開,內(nèi)壁上褶皺清晰可見,比表面積和總孔容較改性前分別提高43倍、29倍;-N(CH_2COOH)_2特征峰的出現(xiàn),說明IDA-PSC的成功制備。IDA-PSC對Cu(Ⅱ)吸附特性的研究表明:隨著溶液pH增加,Cu(Ⅱ)吸附量先迅速增加后趨于穩(wěn)定,適宜pH為5.0,在強酸條件下(pH 2.0),Cu(Ⅱ)吸附量仍可達21.25 mg g~(-1);隨著離子強度增加,Cu(Ⅱ)吸附量先迅速減小后趨于穩(wěn)定,CaCl_2濃度為0.12 mol L~(-1)時,Cu(Ⅱ)吸附量仍可達20.3 mg g~(-1);Pseudo-second-order模型適合描述該過程的吸附動力學(xué),吸附在2 h內(nèi)達到平衡;吸附等溫線符合Langmuir模型,298 K時最大單層吸附量36.6 mg g~(-1);熱力學(xué)研究說明IDA-PSC對Cu(Ⅱ)的吸附是自發(fā)、熵增的吸熱過程。再生研究表明:使用0.5 mol L~-11 HCl溶液對吸附飽和的IDA-PSC解吸,解吸率可達98.5%。經(jīng)過6次吸附-解吸后,IDA-PSC對Cu(Ⅱ)吸附率仍保持在80%以上。綜合對材料的表征分析及吸附特性研究發(fā)現(xiàn):IDA-PSC對Cu(Ⅱ)的吸附機理主要包括粒內(nèi)擴散、靜電引力,配位反應(yīng)和離子交換。采用正交法對牡丹殼氫氧化鈉改性條件進行了優(yōu)化,得到適宜的制備條件為:NaOH溶液濃度0.8%、改性時間50 min、液固比0.35 L g~(-1),并在此條件下制備了AP-PSC。采用掃描電鏡、氮氣吸附對材料進行表征,結(jié)果表明:AP-PSC的表面孔洞被打開,三維立體層狀結(jié)構(gòu)清晰可見,比表面積和總孔容較改性前分別提高了2倍、1倍。采用響應(yīng)面法,得到AP-PSC吸附MB的優(yōu)化條件為:溶液pH 5.1、MB濃度328 mg L~(-1)、吸附劑量0.5 g L~(-1)、吸附時間249 min。AP-PSC對MB吸附特性的研究表明:Pseudo-second-order模型適合描述該過程的吸附動力學(xué),吸附在4 h內(nèi)達到平衡,整個過程受粒內(nèi)擴散和膜擴散共同控制;Langmuir模型適合描述其等溫吸附過程,298 K時AP-PSC對MB的最大單層吸附量為368.2 mg g~(-1);熱力學(xué)研究說明AP-PSC對MB的吸附是自發(fā)、熵增的吸熱過程。綜合對材料的表征分析及吸附特性研究發(fā)現(xiàn):AP-PSC對MB的吸附機理主要包括離子交換、氫鍵作用和π-π電子供體-受體作用。通過考察不同條件下牡丹殼活性炭的碘吸附值和亞甲基藍吸附值,確定適宜的制備條件為:活化溫度873 K、活化時間40 min、浸漬比2.5:1,并在此條件下制備了牡丹殼活性炭(PSCAC)。PSCAC經(jīng)硝酸氧化,制備出硝酸改性牡丹殼活性炭(NA-PSCAC)。采用氮氣吸附、Boehm滴定對PSCAC和NA-PSCAC進行了表征,結(jié)果表明:與PSCAC相比,NA-PSCAC的比表面積、總孔容分別減小73%和76%,酸性含氧官能團含量增加5倍。NA-PSCAC對Cu(Ⅱ)吸附特性的研究表明:吸附時間、初始濃度、溶液pH和離子強度對吸附影響較大;吸附動力學(xué)符合Pseudo-second-order模型,吸附在1 h內(nèi)達到平衡;Langmuir模型適合描述其等溫吸附過程,298 K時最大單層吸附量為39.4 mg g~(-1);吸附熱力學(xué)研究說明NA-PSCAC對Cu(Ⅱ)的吸附是自發(fā)、熵增的吸熱過程。再生研究表明:使用0.2 mol L~-11 HCl溶液對吸附飽和的NA-PSCAC解吸,解吸率可達90.3%,經(jīng)過6次吸附-解吸后,NA-PSCAC對Cu(Ⅱ)吸附率仍保持在81%以上。對吸附材料IDA-PSC和NA-PSCAC進行了比較,NA-PSCAC具有制備工藝較簡單、對環(huán)境影響較小、吸附性能良好等特點,但因成本較高而限制了其工業(yè)化應(yīng)用。為了提高NA-PSCAC的利用效率,基于NA-PSCAC吸附Cu(Ⅱ)的最適等溫線方程,建立多階段間歇吸附器設(shè)計模型,模擬顯示:兩階段間歇式吸附工藝比單級吸附使用的NA-PSCAC量更少,且隨著對Cu(Ⅱ)去除率要求的提高,這種優(yōu)勢更加顯著。這對于吸附性能優(yōu)異但成本較高的活性炭材料而言,具有重要意義。
【圖文】：

林生物質(zhì)直接用作吸附材料物質(zhì)主要含有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和果膠等高分的單寧、黃酮和萜烯類等物質(zhì)，這些成分中含有羥基、團，可以直接通過離子交換、螯合、配位等方式與污染林生物質(zhì)表面疏松多孔，具有較大的比表面積，可以通環(huán)境中的污染物[9]。維素是自然界中分布最廣、含量最多的一種多糖，農(nóng)林生物40 ~ 70%。在化學(xué)結(jié)構(gòu)上，纖維素由β-D-吡喃葡萄糖以β-1性高分子聚合物，分子式為(C6H10O5)n，其中 n 為纖維素酐的數(shù)目，不同植物的纖維素分子區(qū)別僅在于 n 值不同 這些葡萄糖酐結(jié)構(gòu)單元沿著鏈長方向近似平行排列，憑的強有力的氫鍵系統(tǒng)聚集成微纖維。纖維素的化學(xué)性質(zhì)苷鍵和羥基，表現(xiàn)為水解、酯化、乙�；确磻�(yīng)。作為成分，纖維素通常與半纖維素、果膠和木質(zhì)素結(jié)合在一起

圖 1.2 半纖維素結(jié)構(gòu)單元Fig.1.2 Structural unit of hemicellulose廣泛存在于植物體的以苯基丙烷為結(jié)構(gòu)單元成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非晶型三維網(wǎng)狀酚類高分子學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定性，至今只能得到一些木質(zhì)在苯環(huán)中的甲氧基，，是木質(zhì)素的特征性功能羥基、醇羥基和羰基等功能集團存在，使木半纖維素連接復(fù)雜，既存在物理連接（氫鍵譬如酯鍵、醚鍵、苷鍵和縮醛等[13]。
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：X703;O647.33

【參考文獻】

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本文編號：2702124