改性芦竹季胺盐型吸附剂的制备及其对磷酸根吸附性能的研究

论文摘要

芦竹是一种分布范围广、适应力强的多年生草本植物,它对盐碱、干旱、贫瘠都具有很好的忍耐力。随着我国经济社会的迅猛发展,水污染日趋加剧,由此造成的水体富营养化问题也越来越严重。磷是水体富营养化的限制因子,磷的去除对于富营养化水体的修复具有重要的意义。芦竹在N,N-二甲基甲酰胺存在的条件下与环氧氯丙烷,乙二胺,三乙胺反应,得到改性芦竹季胺盐型吸附剂。通过单因素和正交实验,以对水溶液中磷酸根的去除率为指标,研究芦竹投加量,化学物质投加量,反应温度等不同影响因素确定出最优合成条件。单因素试验和正交试验的结果一致表明,最优合成条件为,芦竹：环氧氯丙烷：N,N-二甲基甲酰胺：乙二胺：三乙胺=4 g:10 ml:5 ml:2ml:10 ml;反应温度为60-70℃,其中与乙二胺的反应是对合成反应最重要的影响因素。实现了最大化利用芦竹,减少化学物质的用量的目的。利用多种化学方法和现代分析技术,如扫描电镜分析,元素分析和IR光谱分析,对改性后芦竹的结构形貌,组成元素和特征化学基团进行表征,并与改性前芦竹进行了对比。在结构形貌方面,改性后芦竹表面更加光滑；在元素含量方面,改性后芦竹含氮量大大增加;在特征基团方面,改性后芦竹增加了很多胺基基团。在实验室内通过静态吸附法对改性芦竹季胺盐型吸附剂对水溶液中磷酸根吸附进行了详细研究。主要研究了吸附剂投加量,溶液pH,吸附动力学,热力学等方面。实验结果表明,改性芦竹季胺盐吸附剂对磷酸根的去除有很高的效率。改性芦竹对磷酸根的去除效果受pH的影响比较大,pH在5左右时,吸附效果最佳。去除效果受温度的影响较小,使得改性芦竹在处理中受水温的影响较小,有利于实际应用。将实验结果分别使用伪一级、伪二级和内扩散模型进行拟合分析可知,伪二级方程对磷酸根的吸附过程有很好的描述,很小的活化能说明吸附过程应该属于物理吸附。吸附等温线对Langmuir符合很好,说明改性芦竹季胺盐型吸附剂吸附磷酸根是以单层吸附为主。吸附体系的吸附自由能和焓变为负值,这表明吸附剂对磷酸根的吸附是一个自发放热的吸附过程。研究了改性芦竹对磷酸根的动态吸附及脱附再生效果,分别考察了在动态吸附、脱附再生过程中各种因素的影响。实验结果表明：与改性前相比,芦竹的吸附性能有了很大提高。随着KH2PO4溶液浓度的增加,改性芦竹吸附磷酸根至饱和的时间缩短,动态吸附的穿透点提前；随着KH2PO4溶液流速增大,改性芦竹对磷酸根的去除率降低；脱附再生实验中,分别选用0. 01mol/L NaCl溶液、HCl溶液和NaOH溶液做脱附剂,以5ml/min的流速进行脱附可以得到较好的脱附效果,经10次再生后,使用三种脱附剂再生后的改性芦竹的吸附容量从45.625 mg／g分别降至40.301 mg/g、38.197 mg/g和35.268mg／g,具有良好的重复使用性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 前言
• 1.1 芦竹的生态学特征与国内外综合利用现状
• 1.1.1 芦竹的生态学特征
• 1.1.2 芦竹的国内外综合利用现状
• 1.2 水体中磷酸根离子的危害
• 1.3 水体中磷酸根离子的去除技术
• 1.4 课题的研究目的与意义
• 1.5 本研究的创新之处
• 第二章 实验材料和方法
• 2.1 实验试剂和材料
• 2.1.1 主要材料
• 2.1.2 实验试剂
• 2.1.3 仪器和设备
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 改性芦竹季胺盐型吸附剂的制备方法
• 2.2.2 扫描电镜分析方法
• 2.2.3 比表面积的分析方法
• 2.2.4 元素分析方法
• 2.2.5 IR光谱分析
• 2.2.6 磷酸根标准溶液的配制
• 2.2.7 吸附方法
• 第三章 改性芦竹季胺盐型吸附剂合成条件的优化研究
• 3.1 芦竹的化学组成
• 3.2 改性芦竹季胺盐型吸附剂的合成机理
• 3.3 改性芦竹季胺盐型吸附剂的合成方法
• 3.4 最大化利用芦竹合成条件的选择
• 3.4.1 单因素影响实验
• 3.4.2 正交试验确定合成条件对改性效果的影响
• 3.4.3 最佳合成条件的确定
• 3.5 芦竹改性前后SEM图片的变化
• 3.6 芦竹改性前后比表面积的变化
• 3.7 芦竹改性前后N元素含量的变化
• 3.8 芦竹改性前后IR图谱的变化
• 3.9 小结
• 第四章 改性芦竹季胺盐吸附剂对溶液中磷酸根的静态吸附作用
• 4.1 吸附动力学及吸附热力学研究的主要模式
• 4.1.1 吸附动力学研究的主要模式
• 4.1.2 吸附热力学研究的主要模式
• 4.1.3 吸附活化状态函数
• 4.2 吸附剂投加量对水溶液中磷酸根吸附效果的影响
• 4.3 溶液pH值对水溶液中磷酸根吸附效果的影响
• 4.4 振荡速率对溶液中磷酸根吸附效果的影响
• 4.5 吸附动力学研究
• 4.5.1 不同初始浓度的吸附动力学研究
• 4.5.2 不同溶液温度的吸附动力学研究
• 4.5.3 活化能的确定
• 4.6 吸附热力学
• 4.6.1 吸附等温线
• 4.6.2 热力学参数
• 4.7 小结
• 第五章 改性芦竹季胺盐吸附剂对溶液中磷酸根的动态吸附与脱附作用
• 5.1 动态吸附
• 5.1.1 芦竹与改性芦竹吸附效果的对照
• 5.1.2 不同条件下改性芦竹动态吸附性能的研究
• 5.2 动态脱附
• 5.2.1 脱附剂浓度对脱附性能的影响:
• 5.2.2 流速对脱附性能的影响
• 5.2.3 脱附曲线的测定
• 5.2.4 改性芦竹重复使用性能的测定
• 5.3. 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文目录
• 学位论文评阅及答辩情况表