改性山核桃壳吸附水中重金属的效能研究

论文摘要

随着工业的迅速发展,产生了大量的有毒的重金属废水。这些废水对环境和人体健康及生态系统都造成了很大的危害。因此,去除废水中的重金属成为当今环境的重要问题之一。利用农林废弃物吸附剂是一种新的技术利用生物质去除水中的重金属,因其成本低廉,对环境无二次污染,取材来源广泛等特点,与其它传统的方法相比有较大的优势。本论文选用农林废弃物质山核桃壳为材料,对其进行化学改性后,得到改性后的山核桃壳（MCWS）。通过对水溶液中Cr6+、Cu2+、Hg2+、Cd2+单一金属溶液和混合金属溶液的吸附行为的研究,考察了山核桃壳吸附剂的吸附性能。采用红外光谱FTIR分析、比表面积分析仪、元素分析仪和扫描电镜等分析检测技术,对山核桃壳的结构、形貌进行了表征,通过对MCWS吸附重金属离子的最佳条件的研究,如金属溶液的pH、金属离子的初始浓度、MCWS投入量、溶液温度及不同吸附时间等,利用吸附动力学模型及吸附等温方程对实验数据进行分析,探讨MCWS吸附重金属的机理。利用FTIR对山核桃壳进行红外光谱分析,显示MCWS有很多化学基团或化学键。在波数3423.3cm-1处的峰值是羟基的振动,而在2937.5cm-1吸收峰处是亚甲基的C-H伸缩振动。1738.4cm-1是羧基上的羰基振动。1638.2cm-1为分子内部羧基上的羰基的伸缩振动,1513.7cm-1是芳香环上的C-C伸缩振动。1462.6cm-1是证明了芳香环上的C-C伸缩振动。1372.5到1046.2cm-1是酚基上的C-O键振动,不同的酚基上不同的C-O说明MCWS富含单宁。605.7cm-1是芳香化合物的振动。这些基团如-OH和-COOH可能与吸附重金属有关。MCWS吸附水溶液中的单一金属实验结果表明,Cr6+离子的去除率随着pH的增高而降低,最大去除率在pH=1时,可以达到82.88%；Cu2+离子的去除率随着pH值的升高增大,去除率最高时的pH5.0,去除率可以达到80.44%；Cd2+离子的去除率随着pH的增大而增加,pH7.0时候达到最大95.64%；MCWS吸附Hg2+的吸附量随着pH的增加而增加,pH5.0达到最大吸附率92.30%,然后吸附量开始下降。MCWS吸附水溶液中的单一Cr6+、Cu2+、Hg2+、Cd2+离子吸附的实验数据都符合Langmuir吸附模型,MCWS对Cr6+、Cu2+、Hg2+、Cd2+离子的最大吸附量分别为：41.7mg/L、15.87mg/L、8.06mg/L、37mg/L。MCWS对水溶液中的Cd6+、Cu2+、Hg2+、Cd2+的吸附过程都是符合拟二级动力学方程的快速吸附过程,30-45min内对四种金属的吸附均达到吸附平衡。利用解吸附实验、FTIR分析、SEM分析MCWS吸附机理,结果表明MCWS吸附Cd6+的机理的吸附过程属于化学吸附,-OH、-COOH的H+与Cr6+离子进行离子交换或者络合作用完成主要吸附过程。MCWS吸附Cu2+离子的吸附过程由化学吸附控制,是吸热反应。羟基在吸附过程中起主要作用,与Cu2+离子进行离子交换,新形成的化学键键能较低,容易被破坏。MCWS吸附Cd2+离子过程属于化学吸附,Cd2+离子与C=O进行吸热的化学反应,新生成的化学键较弱,容易解吸附。MCWS吸附Hg2+离子的机理可能是羟基的H+与Hg2+离子进行离子交换的结果,属于吸热反应,新形成的键能较低。MCWS吸附Cr6+、Cu2+、Hg2+、Cd2+混合离子的最适pH在5.0-7.0之间,相对于Cr6+、Cu2+、Hg2+、Cd2+单一金属存在的最大吸附率都有所下降。最佳吸附时间可为30-90min。随着金属离子初始浓度的增大,吸附率降低,Cr6+、Cu2+Hg2+、Cd2+离子的初始浓度为25mg/L时,吸附率最大。混合金属离子的吸附率随温度升高而增加,混合金属的最佳吸附温度为30℃。MCWS对混合金属溶液的吸附过程比较适合用Langmuir方程拟合,说明吸附过程为均匀的单层吸附。Cr6+、Cu2+、Hg2+、Cd2+最大吸附量分为18.24mg/L,12.8mg/L、7.12mg/L13.32mg/L,均小于单一金属吸附量过程。MCWS吸附Cr6+、Cu2+、Hg2+、Cd2+混合离子的机理涉及到多个化学基团或化学键如-COOH、-OH、C-H、C-O通过离子交换或络合作用完成吸附。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 传统重金属废水处理方法
• 1.2.1 化学法
• 1.2.2 物理化学法
• 1.2.3 其他方法
• 1.3 重金属吸附剂
• 1.3.1 活性炭
• 1.3.2 壳聚糖
• 1.3.3 沸石
• 1.3.4 煤类
• 1.3.5 粘土
• 1.3.6 泥煤苔
• 1.3.7 粉尘
• 1.3.8 业废弃物
• 1.4 生物材料吸附剂
• 1.4.1 细菌
• 1.4.2 真菌
• 1.4.3 藻类
• 1.4.4 农林废弃物等生物质吸附剂
• 1.5 研究意义及内容
• 1.5.1 选题的意义
• 1.5.2 研究内容
• 第2章 实验材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 山核桃壳材料材料
• 2.1.2 山核桃壳改性方法的筛选
• 2.1.3 实验药品
• 2.1.4 实验仪器
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 标准溶液的制备
• 2.2.2 金属浓度的测定
• 2.2.3 分析和计算方法
• 6+离子的吸附研究'>第3章 改性山核桃壳对Cr⁶⁺离子的吸附研究
• 3.1 引言
• 6+离子的吸附行为'>3.2 MCWS对Cr⁶⁺离子的吸附行为
• 6+离子的影响'>3.2.1 pH对吸附Cr⁶⁺离子的影响
• 6+离子的影响'>3.2.2 初始浓度对吸附Cr⁶⁺离子的影响
• 6+离子的影响'>3.2.3 温度对吸附Cr⁶⁺离子的影响
• 6+离子的影响'>3.2.4 MCWS投加量对吸附Cr⁶⁺离子的影响
• 3.3 吸附过程的动力学研究
• 3.3.1 颗粒内扩散方程
• 3.3.2 拟一级动力学方程
• 3.3.3 拟二级动力学方程
• 3.4 吸附等温模型
• 3.4.1 Langmuir吸附模型
• 3.4.2 Freundlich吸附模型
• 3.4.3 不同吸附剂吸附能力的比较
• 3.5 吸附机理探讨
• 3.5.1 MCWS解吸附研究
• 3.5.2 FTIR分析
• 3.5.3 SEM分析
• 3.6 本章小结
• 2+离子的吸附研究'>第4章 改性山核桃壳对Cu²⁺离子的吸附研究
• 4.1 引言
• 2+离子的吸附行为'>4.2 MCWS对Cu²⁺离子的吸附行为
• 2+离子的影响'>4.2.1 pH对吸附Cu²⁺离子的影响
• 2+离子的影响'>4.2.2 初始浓度对吸附Cu²⁺离子的影响
• 2+离子的影响'>4.2.3 温度对吸附Cu²⁺离子的影响
• 2+离子的影响'>4.2.4 MCWS投入剂量对吸附Cu²⁺离子的影响
• 4.3 吸附过程的动力学研究
• 4.4 吸附等温模型
• 4.5 吸附机理探讨
• 4.5.1 MCWS解吸附特性
• 4.5.2 FTIR分析
• 4.5.3 SEM分析
• 4.6 不同吸附剂吸附能力对比
• 4.7 本章小结
• 2+离子的吸附研究'>第5章 改性山核桃壳对Cd²⁺离子的吸附研究
• 5.1 引言
• 2+离子的吸附行为'>5.2 MCWS对Cd²⁺离子的吸附行为
• 2+离子的影响'>5.2.1 pH对吸附Cd²⁺离子的影响
• 2+离子的影响'>5.2.2 初始浓度对吸附Cd²⁺离子的影响
• 2+离子的影响'>5.2.3 温度对吸附Cd²⁺离子的影响
• 2+离子的影响'>5.2.4 MCWS投加量对吸附Cd²⁺离子的影响
• 5.3 吸附过程的动力学研究
• 5.4 吸附等温模型
• 5.5 吸附机理探讨
• 5.5.1 MCWS解吸附特性
• 5.5.2 FTIR分析
• 5.5.3 SEM分析
• 5.6 不同吸附剂吸附能力对比
• 5.7 本章小结
• 2+离子的吸附研究'>第6章 改性山核桃壳对Hg²⁺离子的吸附研究
• 6.1 引言
• 2+离子的吸附行为'>6.2 MCWS对Hg²⁺离子的吸附行为
• 2+离子的影响'>6.2.1 pH对吸附Hg²⁺离子的影响
• 2+离子的影响'>6.2.2 初始浓度对吸附Hg²⁺离子的影响
• 2+离子的影响'>6.2.3 温度对吸附Hg²⁺离子的影响
• 2+离子的影响'>6.2.4 MCWS加入量对吸附Hg²⁺离子的影响
• 6.3 吸附过程的动力学研究
• 6.4 吸附等温模型
• 6.5 吸附机理探讨
• 6.5.1 MCWS解吸附特性
• 6.5.2 FTIR分析
• 6.5.3 SEM分析
• 6.6 不同吸附剂吸附能力对比
• 6.7 本章小结
• 第7章 改性山核桃壳对共存多种金属离子的吸附研究
• 7.1 前言
• 6+、Cu²⁺、Hg²⁺、Cd²⁺离子的吸附行为'>7.2 MCWS对混合Cr⁶⁺、Cu²⁺、Hg²⁺、Cd²⁺离子的吸附行为
• 7.2.1 pH对吸附混合金属离子的影响
• 7.2.2 初始金属浓度对吸附混合金属离子的影响
• 7.2.3 温度对吸附混合金属离子的影响
• 7.2.4 MCWS投加量对吸附混合金属离子影响
• 7.3 吸附过程的动力学研究
• 7.4 吸附等温模型
• 7.5 吸附机理探讨
• 7.5.1 混合金属的解吸附实验
• 7.5.2 FTIR分析
• 7.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历