废弃生物质毛发纤维的功能化再利用

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经历上百年的发展,基于石化资源的合成高分子材料因其具有质轻、易加工、美观实用以及可满足不同行业需求等诸多优点受到了人们的青睐,得到了广泛应用,并替代了大部分日常使用的传统材料。但石油和煤炭等不可再生化石资源的大量使用,导致可再生生物质资源的大量废弃与浪费。随着能源、环境等问题的日益突出,廉价、可再生废弃生物质资源的再利用和高附加值应用研究越来越受到关注。因此,以生物质废弃物为原料,通过技术开发,将其转化为清洁、高品质、廉价且高附加的环境友好型材料,变废为宝或以废治废,具有十分重要的应用价值和现实意义。本文选用廉价、无毒的废弃生物质材料鸡毛和猪毛为原料,通过简单的方法将其改性,极大的改变其亲水性能和吸水性能,从而成为水下疏油材料,同时将其作为吸附材料对染料废水的处理进行了研究;进一步将废弃鸡毛作为炭的前驱体,制备了具有高比表面积及高吸附性能的多孔炭材料。论文包括以下部分:首先,以亲水性较差的羽毛纤维(CF)为原料,NaHSO3和KH570为改性剂,经过表面还原、表面接枝改性的方法,制备了表面接枝改性的羽毛纤维(CF-OH),采用FT-IR、TG、SEM等对其结构与微观形貌进行了表征和分析,并采用接触角测试考察了其亲/疏水与亲/疏油性能。结果表明:KH570能有效改善羽毛纤维的表面形态,即从疏水、亲油性转变为亲水、亲油的浸润性。其中,CF-OH吸水倍率由原料CF的0.38(g/g)提高到9.30(g/g)。CF-OH具有了水下疏油的性能。第二,以亚甲基蓝和结晶紫为吸附质模型,研究了改性羽毛CF-OH的吸附性能,探讨了吸附过程中的影响因素,并对其吸附热力学和动力学进行了研究。结果表明:相比于原材料CF,CF-OH的吸附能力得到很大的改善。CF-OH对CV、MB的脱色率分别可达89.95%和81.66%。吸附热力学都符合Freundlich等温模型,为非均相吸附;吸附动力学都符合准二级动力学模型,化学吸附占主导地位。第三,采用废弃猪毛PF为原料,通过NaHSO3和SDS为改性剂,对PF表面改性制备得到产物MPF。采用FT-IR、TG、SEM等对其结构与微观形貌进行了表征和分析,并采用接触角测试考察了其亲/疏水与亲/疏油性能。结果表明:经改性的猪毛纤维MPF表面拥有了大量亲水基团羧基,同时使表面变得粗糙,由原疏水亲油的浸润性能转变为亲水亲油的双亲性能,即具有水下的疏油性能。第四,以废弃的鸡毛为炭前驱体,通过一步炭化活化法制备了羽毛基活性炭(CFAC-K)。采用FT-IR、SEM、BET、TG及接触角测试对CFAC-K的结构、微观形态及性能进行了表征和分析,并阐述了其造孔机理。结果表明:所制备的炭材料具有较高的比表面积和大量的微孔结构。第五,以亚甲基蓝为吸附质模型,研究了羽毛基活性炭(CFAC-K6)的吸附性能,探讨了吸附过程中的各种影响因素,并对其吸附等温模型和动力学进行了研究。结果表明:在25oC下,MB的初始浓度为300 mg/L,CFAC-K6用量0.05 g,吸附时间50 min,pH=67时,CFAC-K6对MB的脱色率高达99.91%,吸附容量高达299.21 mg/g。该吸附剂的吸附效果远高于商业活性炭,且吸附后的废水达到国家排放标准。吸附热力学符合Langmuir等温模型,为单层吸附。吸附动力学符合准二级动力学模型,化学吸附占主导地位。总之,本文以废弃生物质为原材料,对其表面改性或是炭化后,可应用于防污及治污领域。
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