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柚皮基活性炭制备及吸附应用机理研究

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导师姓名
张学洪
学科专业
制糖工程
文献出处
广西大学   2013年
关键词
柚皮论文  活性炭论文  吸附机理论文  六价铬论文  亚甲蓝论文  刚果红论文  氨氮论文
论文摘要

活性炭一般具有孔隙发达、比表面积大、表面官能团丰富和活性高等特点,是水处理中应用非常广泛的吸附剂。国内外开展了大量有关活性炭制备及其用于含重金属废水、印染废水等处理的研究。然而,采用煤炭和其他不可再生资源制备活性炭成本很高。为了寻找制备活性炭原料的新来源,不少学者把目光投向来源广泛、再生性强以及无二次污染的农业废弃物。柚子是我国主要水果之一,在南方许多地区大量种植。通常柚皮未被利用就直接丢弃。目前有关以柚皮为原料采用氯化锌活化法制备活性炭,并进行污水处理的研究尚未见报道。本文以柚皮为原料,采用氯化锌活化法制备柚皮基活性炭,并针对不同典型污染物进行了吸附处理研究。通过红外光谱、X射线衍射、扫描电子显微镜等分析方法和吸附动力学、热力学等理论,系统研究了柚皮基活性炭物理化学性质,以及吸附废水中氨氮、磷、碱性染料亚甲蓝、酸性染料刚果红和六价铬的机理,并讨论了pH、温度和吸附时间等因素对吸附容量的影响。主要研究结论:(1)利用农业废弃物柚子皮为活性炭原料,采用ZnCl2活化法制备柚皮基活性炭,设计正交试验确定最佳制备工艺条件:ZnCl2溶液质量分数20%,液料质量比为3.0:1,活化温度和时间分别为500℃、80min。所得柚皮基活性炭得率为35.36%,碘吸附值为851mg/g。其BET比表面积为1045m2/g,孔容积为7.471cm3/g,孔平均直径为1.430nm。红外光谱分析结果说明,柚皮基活性炭表面主要存在羟基、羧基、胺基和吡喃酮等官能团。样品的零电点为5.67。(2)利用柚皮基活性炭处理含Cr(Ⅵ)废水。研究结果表明,吸附时间12h达到吸附平衡,在pH等于1.0时,吸附效果最好。Temkin和Langmuir模型可以很好地描述Cr(vi)吸附过程;Langmuir单分子层饱和吸附量达到145.47mg/g。根据Dubinin-Radushkevich模型计算的吸附自由能为9.93、17.72和20.82kJ/mol, Cr (Ⅵ)吸附以化学吸附为主。准二级动力学模型能很好地拟合柚皮基活性炭吸附Cr(Ⅵ)的动力学实验数据。颗粒内扩散模型和Boyd模型研究表明,膜扩散系数和孔扩散系数均值分别为3.72×10-13cm2/s和5.99×10-12cm2/s,吸附过程由膜扩散和颗粒内扩散共同控制,膜扩散为主控步骤。柚皮基活性炭吸附Cr(Ⅵ)的⊿G在-0.32kJ/mol和-20.06kJ/mol之间,⊿H在39.85kJ/mol和342.93kJ/mol之间,⊿S在134.91kJ/(mol·K)和829.51kJ/(mol·K)之间,说明吸附是一个自发吸热熵增过程。吸附机理主要涉及几方面作用:活性炭表面带电基团(羟基、羧基和胺基)通过静电引力吸附Cr(Ⅵ)离子;吸附的Cr(Ⅵ)离子在强酸条件下还原为三价铬,一部分进入溶液系统,一部分与炭基质发生反应形成螯合物。(3)利用柚皮基活性炭处理含碱性染料亚甲蓝(MB)废水。吸附初期吸附速率很快,2h后吸附基本平衡。pH2.0~10.0范围吸附量无明显变化。Temkin和Langmuir模型可以很好地描述MB吸附过程,Langmuir单分子层最大饱和吸附量达到234.26mg/g。根据Dubinin-Radushkevich模型计算吸附自由能均值为18.53kJ/mol, MB吸附以化学吸附为主。准二级动力学模型能够很好地描述柚皮基活性炭吸附MB的动力学实验数据。颗粒内扩散模型和Boyd模型分析表明,膜扩散系数和孔扩散系数均值分别为2.85×10-12cm2/s和2.30×10-10cm2/s,吸附过程受膜扩散和颗粒内扩散影响,其中膜扩散为主控步骤。柚皮基活性炭吸附MB的⊿G在-19.44kJ/mol和-24.77kJ/mol之间,⊿H在64.63kJ/mol和67.50kJ/mol之间,⊿S在276.65kJ/(mol·K)和277.98kJ/(mol·K)之间,吸附是一个自发吸热过程。吸附机理包括静电相互作用、氢键作用和电子供体受体作用。(4)利用柚皮基活性炭处理含酸性染料刚果红(CR)废水。吸附2h后反应基本平衡,pH3.0~10.0范围吸附量无明显变化。Freundlich模型可以很好地描述CR吸附过程;利用Dubinin-Radushkevich模型计算吸附自由能的平均值为12.73kJ/mol,反应过程以化学离子交换吸附为主。准二级动力学和Elovich模型能够很好地用于描述柚皮基活性炭吸附CR过程。颗粒内扩散模型分析表明:膜扩散系数和孔扩散系数均值分别为3.72×10-13cm2/s和5.99×10-12cm2/s,吸附过程由膜扩散和颗粒内扩散联合控制,其中膜扩散为主控步骤。实验条件下,柚皮基活性炭吸附CR的⊿G在-3.72kJ/mol和-15.17kJ/mol之间,⊿H在45.35kJ/mol和49.54kJ/mol之间,⊿S在154.00kJ/(mol·K)和166.05kJ/(mol·K)之间,反应属于自发吸热过程。柚皮基活性炭吸附CR时,静电引力和氢键作用为吸附过程主要作用力。(5)利用柚皮基活性炭处理含氨氮废水。吸附5h后反应基本平衡。Freundlich和Temkin模型可以很好地描述氨氮吸附过程;准二级动力学和Elovich模型描述柚皮基活性炭吸附氨氮的动力学实验数据达到显著相关。利用Dubinin-Radushkevich模型计算吸附自由能的平均值为9.19kJ/mol,吸附过程以化学离子交换吸附为主。颗粒内扩散模型和Boyd模型分析表明:柚皮基活性炭吸附氨氮的膜扩散系数和孔扩散系数均值分别为6.65×10-13和1.15×10-11cm2/s,吸附过程由膜扩散和颗粒内扩散联合控制,其中膜扩散为限速步骤。实验条件下,柚皮基活性炭吸附氨氮的⊿G在-4.26kJ/mol和-4.73kJ/mol之间,⊿H在1.48kJ/mol和2.58kJ/mol之间,⊿s在19.74kJ/(mol·K)和23.29kJ/(mol·K)之间,吸附为自发吸热过程。柚皮基活性炭吸附氨氮时,静电引力和范德华力作用为吸附过程主要作用力。(6)利用柚皮基活性炭处理含磷废水。吸附3h后反应基本平衡。Freundlich和Dubinin-Radushkevich模型都可以反映柚皮基活性炭吸附磷特征,磷吸附属于多分子层吸附。准二级动力学和Elovich模型能很好地描述柚皮基活性炭对磷的吸附动力学过程。吸附自由能的平均值为8.43kJ/mol,吸附过程以化学离子交换吸附为主。颗粒内扩散模型和Boyd模型分析表明,膜扩散系数和孔扩散系数的平均值分别为5.16×10-13cm2/s和5.03×10-12cm2/s,吸附过程主要受膜扩散控制。实验条件下,柚皮基活性炭吸附磷的⊿G在-2.29kJ/mol和-4.03kJ/mol之间,⊿H在2.68kJ/mol和23.15kJ/mol之间,⊿S在18.38kJ/(mol·K)和86.48kJ/(mol·K)之间,吸附为自发吸热过程。柚皮基活性炭吸附磷时,静电引力和范德华力为吸附过程主要作用力。

论文目录
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摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 印染废水处理概述

1.1.1 印染废水的来源与危害

1.1.2 印染废水的治理技术

1.2 含铬废水处理概况

1.2.1 含铬废水的来源与危害

1.2.2 含铬废水的治理技术

1.3 氮磷废水处理概况

1.3.1 氮磷废水的来源与危害

1.3.2 氮磷废水的治理技术

1.4 活性炭制备及在废水处理中的应用

1.4.1 活性炭吸附剂的特性

1.4.2 制备活性炭的原料和方法

1.4.3 活性炭在水处理中的应用

1.5 活性炭的吸附理论

1.5.1 吸附等温线模型

1.5.2 吸附动力学

1.5.3 吸附热力学

1.6 论文主要研究内容及意义

1.6.1 主要研究内容

1.6.2 课题来源与创新点

第二章 柚皮基活性炭的制备与表征

2.1 引言

2.2 实验材料与方法

2.2.1 材料及仪器

2.2.2 柚皮基活性炭制备方法

2.2.3 碘吸附值测定

2.2.4 产品得率计算方法

2.2.5 制备条件优化实验

2.2.6 样品表征分析

2.3 结果与分析

2.3.1 氯化锌溶液质量分数对柚皮基活性炭吸附性能和得率的影响

2.3.2 液料质量比对柚皮基活性炭吸附性能和得率的影响

2.3.3 活化温度对柚皮基活性炭吸附性能和得率的影响

2.3.4 活化时间对柚皮基活性炭吸附性能和得率的影响

2.3.5 制备条件优化实验

2.3.6 样品表征

2.4 本章结论

第三章 柚皮基活性炭吸附六价铬机理研究

3.1 引言

3.2 实验材料与方法

3.2.1 试剂及仪器

3.2.2 样品表征分析

3.2.3 吸附实验方法

3.3 柚皮基活性炭吸附六价铬结果与讨论

3.3.1 六价铬吸附前后表征分析

3.3.2 柚皮基活性炭吸附六价铬的单因素影响实验分析

3.3.3 吸附动力学研究

3.3.4 吸附等温线研究

3.3.5 吸附热力学分析

3.3.6 六价铬吸附机理研究

3.3.7 吸附经验模型建立

3.3.8 柚皮基活性炭对六价铬吸附能力与其他木质活性炭比较

3.4 本章结论

第四章 柚皮基活性炭吸附亚甲蓝碱性染料的机理研究

4.1 引言

4.2 实验材料与方法

4.2.1 试剂及仪器

4.2.2 样品表征分析

4.2.3 吸附实验方法

4.3 柚皮基活性炭吸附亚甲蓝结果与讨论

4.3.1 亚甲蓝吸附前后表征分析

4.3.2 柚皮基活性炭吸附亚基蓝的单因素影响实验分析

4.3.3 吸附等温线研究

4.3.4 吸附动力学研究

4.3.5 甲蓝吸附机理研究

4.3.6 吸附热力学分析

4.3.7 柚皮基活性炭对亚甲蓝吸附能力与其他木质活性炭比较

4.4 本章结论

第五章 柚皮基活性炭吸附刚果红酸性染料的机理研究

5.1 引言

5.2 实验材料与方法

5.2.1 试剂及仪器

5.2.2 样品表征分析

5.2.3 吸附实验方法

5.3 柚皮基活性炭吸附刚果红结果与讨论

5.3.1 刚果红吸附前后表征分析

5.3.2 柚皮基活性炭吸附刚果红的单因素影响实验分析

5.3.3 吸附等温线研究

5.3.4 吸附动力学研究

5.3.5 刚果红吸附机理研究

5.3.6 吸附热力学分析

5.4 本章结论

第六章 柚皮基活性炭吸附氨氮的机理研究

6.1 引言

6.2 实验材料与方法

6.2.1 试剂及仪器

6.2.2 样品表征分析

6.2.3 吸附实验方法

6.3 柚皮基活性炭吸附氨氮结果与讨论

6.3.1 氨氮吸附后样品表征分析

6.3.2 柚皮基活性炭吸附氨氮的单因素影响实验分析

6.3.3 吸附等温线研究

6.3.4 吸附动力学研究

6.3.5 氨氮吸附机理研究

6.3.6 吸附热力学分析

6.4 本章结论

第七章 柚皮基活性炭吸附磷的机理研究

7.1 引言

7.2 实验材料与方法

7.2.1 试剂及仪器

7.2.2 样品表征分析

7.2.3 吸附实验方法

7.3 柚皮基活性炭吸附磷结果与讨论

7.3.1 磷吸附后样品表征分析

7.3.2 柚皮基活性炭吸附磷的单因素影响实验分析

7.3.3 吸附等温线研究

7.3.4 吸附动力学研究

7.3.5 磷吸附机理研究

7.3.6 吸附热力学分析

7.4 本章结论

第八章 结论

8.1 结论

8.2 展望

参考文献

致谢

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