基于秸秆膨化材料制备及其对农村废水吸附性研究

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环境恶化、能源紧张、资源短缺是当今世界面临的三大问题。随着人类社会不断的发展,农业生产中大量使用化肥和农药,由于化肥和农药中含有大量的氮磷等元素,使自然环境和农村废水的污染现状日趋严重。中国是农业大国,每年产生数亿吨秸秆资源。利用秸秆资源对农村废水进行吸附处理,对于稳定农业生态平衡、缓解资源约束、减轻环境压力具有十分重要的意义。传统的废水处理吸附剂通常利用生物质材料进行改性处理后获得,如生物炭、改性纤维素、改性树脂等,这些技术在一定程度上提高了吸附剂的吸附效率,但同时对环境造成了二次污染,且伴随高昂的处理成本。利用生物质材料直接作为吸附剂,对其进行物理改性,具有简单方便、成本低等特点。本文以三种天然生物质秸秆(水稻、小麦、玉米)以及五种黏结剂(果胶、瓜尔胶、黄原胶、糯米淀粉、明胶)为材料,分析其红外、热重、吸水、力学等性能,并制备环保型膨化吸附材料,研究不同结构、黏结剂吸附材料对农村废水的吸附性能,主要包括COD值、TN、TP、铵盐、硝酸盐以及亚甲基蓝的吸附容量以及去除率,并分析生物炭的添加对其吸附性能的影响。主要结论如下:(1)对三种秸秆材料的成分进行对比分析,结果表明:秸秆材料富含纤维素和半纤维素等成分,红外光谱分析发现,在3400cm-1处三种秸秆吸收峰较强,表明其含有大量的亲水基团(-OH),这使得秸秆材料具有很强的吸水性,其中玉米秸秆髓24h的吸水率最大,为95.35%。对三种秸秆材料微观表面的观察发现,秸秆材料存在维管束结构,这些结构提供了大量的吸附点位,使得可以利用秸秆材料对农村废水进行吸附处理。(2)对比采用三种结构(无滤芯、单层滤芯、双层滤芯)制备的膨化吸附材料的吸附性能,结果表明:有滤芯比无滤芯的膨化吸附材料吸附效果好,对COD的去除率增加15%,对TN的去除率增加18.6%,对TP的去除率增加13.2%。在滤芯质量相同情况下单层滤芯的膨化吸附材料与双层滤芯的膨化吸附材料的吸附性能差异不太明显。由于双层滤芯之间夹有分隔层,使得溶液不能顺利流过滤芯材料,因此双层滤芯膨化材料的吸附效果比单层滤芯膨化材料略差。(3)对比秸秆纤维与黏结剂制备的膨化材料对农村废水吸附性能,结果表明:玉米髓/单层滤芯/瓜尔胶对COD的去除效果最好,去除率为58.8%。玉米髓/单层滤芯/瓜尔胶对TN的去除效果最好,去除率为63.8%。玉米髓/单层滤芯/糯米淀粉对TP的去除效果最好,去除率为49.7%。玉米髓/单层滤芯/糯米淀粉对铵盐的去除效果最好,去除率为70.3%。水稻秸秆/单层滤芯/瓜尔胶对硝酸盐的去除效果最好,去除率为 68.6%。(4)选择综合吸附效果最优的滤芯材料玉米髓对亚甲基蓝进行吸附研究,结果表明:当玉米髓吸附剂的使用量为1g、亚甲基蓝溶液的浓度为30mg/L、PH值为6、吸附时间为120min时,对亚甲基蓝的吸附效果最好,最大去除率为62.46%,最大吸附容量为4.685mg/g。对吸附结果进行动力学和热力学分析,发现符合伪二级动力学模型以及Freundlich等温吸附模型,说明吸附过程为自发的吸热的化学吸附过程。(5)对比铁基改性生物炭在不同添加量的条件下膨化吸附材料对TN的吸附性能,结果表明:去除率以及吸附容量都有所提升,当滤芯材料全部为生物炭时,水稻秸秆/单层滤芯/瓜尔胶对TN的去除率为71.8%,吸附容量为1.436mg/g,小麦秸秆/单层滤芯/瓜尔胶对TN的去除率为58.2%,吸附容量为1.164mg/g,玉米秸秆/单层滤芯/瓜尔胶对TN的去除率为74.8%,吸附容量为1.496mg/g。
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