改性松针对废水中染料及重金属离子的脱除研究

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工业废水的排放对环境造成污染是长期以来困扰世界各国的一大难题。印染工业废水中所含有的某些难降解化合物和重金属离子具有强烈的致癌、致畸、致突变效应,已经对人类的生存环境和经济发展构成了严重威胁。本文拟以分布广泛的农林废弃物松针为原料,通过预处理改性的办法,探索出一条有效的低成本印染废水处理技术。   对松针的预处理主要是采用气体膨胀液体萃取(Gas-expanding-liquids,GXLs)技术提取松针中具有天然活性的有效成分后,对萃余物的结构进行研究和表征发现,萃余物是以木质素和纤维素为主的多孔性材料,比表面积1.81m2·g-1;表面荷负电。GXLs处理的松针吸附剂(以下简称GXLsp)对废水中阳离子染料的吸附效果最好。   本文首先就GXLsp对废水中阳离子染料亚甲基蓝(methylene blue,MB)和碱性紫14(Basic Violet14,BV14)的吸附性能进行了研究,分别考察了吸附剂用量、吸附时间、溶液pH值和初始浓度等因素对吸附的影响。在293K时,GXLsp对MB和BV14的平衡吸附量分别为0.269和0.267mmol·g-1,脱除率分别为82.5%、90.7%。   热力学研究表明,利用Redlich-Peterson三参数等温方程能够较好的描述GXLsp对MB和BV14的吸附热力学性能;在293K~313K范围内,Gibbs自由能变化△G0分别为-28.41~-31.31kJ·mol-1和-26.60~-29.39kJ·mol-1,表明吸附过程是以化学吸附为主的自发过程;同时计算得到了GXLsp对吸附MB和BV14的吸附等温方程。   动力学研究表明,GXLsp对MB和BV14的吸附动力学均符合拟二级动力学方程;吸附过程由膜扩散和颗粒内扩散联合控制;同时计算得到了在研究条件下GXLsp对MB和BV14的吸附动力学方程。   竞争吸附实验表明,在混合吸附体系中MB和BV14之间存在竞争吸附,竞争吸附能力相近。混合体系中,GXLsp对MB和BV14的平衡吸附量均比单一染料组份存在时低,吸附等温线均低于单一组份时的吸附等温线。   其次,该文就GXLsp对重金属离子Cu2+和Pb2+的吸附性能进行了研究。在293K时,GXLsp对Cu2+和Pb2+的平衡吸附量分别为0.566、0.336mmol·g-1,脱除率分别为67.5%、96.3%。   热力学研究表明,Koble-Corrigan三参数等温方程能够更好地描述GXLsp对Cu2+和Pb2+的吸附实验结果。吸附的Gibbs自由能变化△G0为-17.77~-23.04kJ·mol-1、吸附的焓变、熵变均大于零,吸附过程是以化学吸附为主的自发过程,升高温度有利于吸附的进行。同时还计算得到了在研究条件下,GXLsp对Cu2+和Pb2+的吸附热力学方程。   吸附动力学研究表明,GXLsp对Cu2+和Pb2+的吸附动力学均符合拟二级动力学方程;吸附过程由膜扩散和颗粒内扩散联合控制。获得在研究条件下GXLsp对Cu2+和Pb2+的吸附动力学方程。   同时研究了Cu2+和Pb2+之间的竞争吸附,结果表明:GXLsp对Cu2+和Pb2+的吸附量均下降,但对金属离子的总吸附量无显著变化;GXLsp对Pb2+的吸附亲和力大于Cu2+。   第三,为进一步优化GXLsp固定床吸附的工艺条件,分别就MB和BV14、Cu2+和Pb2+溶液的进料流速、浓度及床层高度等因素对吸附穿透曲线的影响进行了研究。结果表明,利用Thomas方程可以较好地描述GXLsp对MB和BV14、Cu2+和Pb2+的动态吸附行为;用BDST模型预测不同床层高度时的理论穿透时间和吸附饱和时间均与实验所得数据一致。在c/c0≤0.5范围内,Yoon-Nelson模型可以很好地描述不同进料流速和浓度条件下吸附剂的动态吸附行为。   利用冷场发射扫描电子显微镜、X-射线衍射、热重分析、比表面积分析仪和红外光谱等现代分析技术对GXLsp进行结构表征,较全面地研究了GXLsp吸附MB和BV14、Cu2+和Pb2+前后的微观结构变化,为进一步探讨GXLsp的吸附机理提供数据支持。  
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