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洋姜茎叶等对重金属离子吸附的应用基础研究

作　者: 罗安凯
导　师: 罗学刚
学　校: 西南科技大学
专　业: 应用化学
关键词: 洋姜重金属离子吸附选择性吸附机理
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

在国家“十一五”科技支撑计划课题《矿冶重金属废水生物质吸附材料的研制与应用》（批准号：2007BAB18B08）的资助下，以农业废弃物洋姜茎叶为原材料，进行简单的前处理，制备出一种环境友好、价格低廉的生物质吸附剂，利用此种材料对其物化特性以及对Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺、Cr³⁺、Cd²⁺以及Ag⁺六种重金属离子的吸附特性、吸附选择性、吸附机理，材料的循环利用等进行了研究。研究结果表明：1、洋姜茎叶吸附材料的比表面积为1.4461m2/g；粒径发布在1-480μm的区间中，大部分集中于45μm和250μm附近；材料中未检测出Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺、Cr³⁺、Cd²⁺和Ag⁺六种元素，有一定量的K、Ca、Mg等金属元素；含有有利于吸附进行的羧基、羟基等活性基团；洋姜茎叶的零点电位pH=2，分解温度为258°C。2、洋姜茎叶对单离子体系的吸附研究结果表明：当Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺、Cr³⁺、Cd²⁺和Ag⁺的初始浓度分别为5、20、10、20、10、10mg/L，投料量分别为0.5、0.3、0.5、0.1、0.3、1g，时间为24h，温度为25℃，pH变化为1-6时，洋姜茎叶对六种金属离子的去除率分别为0.3⁸1、3.8⁹6.1、0.8⁸4.9%、9.2⁸8.7、6.7⁹6、15.9⁹6.3，最佳pH选定为4⁵;当Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺、Cr³⁺、Cd²⁺和Ag⁺的初始浓度分别为5、20、10、20、10、10mg/L，时间为24h，温度为25℃，pH=4，投料量变化分别为0.1⁰.7、0.1¹.3、0.1¹.3、0.03¹.3、0.09⁰.9、0.01³、0.1¹.1时，洋姜茎叶对六种金属离子的去除率分别为77.9⁸2.6、68.23⁹4.8、74.7⁸7.6、31.3⁷9、60.4⁹5.7、34.8⁹6.56，最佳投料量分别选定为0.5、0.3、0.5、0.1、0.3、1g；当Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺、Cr³⁺、Cd²⁺和Ag⁺的初始浓度分别为5、20、10、20、10、10mg/L，投料量分别为0.5、0.3、0.5、0.1、0.3、1g，温度为25℃，pH=4，时间变化，洋姜茎叶对六种金属离子的去除率达到最佳处理效果的时间分别为t(Cu²⁺)=60min、t(Pb²⁺)<60min、t(Zn²⁺)=300min、t(Cr³⁺)=540min、t(Cd²⁺)=60min、t（Ag⁺）=420min；洋姜茎叶对六种金属离子的去除效果均随温度的升高而提高，高温条件对洋姜茎叶吸附重金属离子均有阻碍。在等温条件下，洋姜茎叶吸附Cr³⁺的反应是非自发进行的，常温及其以上的温度时，反应为自发进行的，其余六种离子的反应均为自发进行，温度选定为常温条件（25℃）；洋姜茎叶对六种金属离子的吸附均符合langmuir单分子层吸附模型和准二级动力学模型，对Cr³⁺、Cd²⁺、Ag⁺和Pb²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺的最大吸附容量分别为为27.79mg/g、37.25mg/g、25mg/g、123.24mg/g、34.69mg/g、23.95mg/g。3、通过投料量、pH、时间、温度、浓度五个因素考察了洋姜茎叶对复配体系中重金属离子的吸附选择性，结果表明：复配条件下，各离子的吸附行为较单离子有一定的区别，吸附动力学还是准二级动力学，等温吸附模型还是Langmuir等温吸附模型。不同的参考因素都显示洋姜茎叶对重金属离子具有选择性吸附，大体的体系顺序为：洋姜茎叶对同价态混合体系中Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺三种离子的吸附选择顺序为：Pb²⁺>Cu²⁺>Zn²⁺;不同价态金属混合系统中，洋姜茎叶对Ag⁺、Cd²⁺、Cr³⁺三种离子的吸附选择性顺序为Ag⁺>Cr³⁺>Cd²⁺。4、结合洋姜茎叶的吸附特性和理化性质，分别从化学吸附和物理吸附以及重金属离子本身特性三方面，探讨了洋姜茎叶对重金属离子的吸附机理。结果表明：洋姜茎叶中含有的K、Ca、Mg三种金属元素与溶液中的Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺、Cr³⁺、Cd²⁺、Ag⁺发生离子交换，离子交换的比例为91%；洋姜茎叶表面有许多沟壑和孔洞，有利于重金属离子的吸附；六种金属离子的电负性和第一水解常数的差异在一定程度上决定了洋姜茎叶的选择性吸附，电负性越大、水解常数越小的离子越易被洋姜茎叶所吸附。5、吸附饱和的洋姜茎叶经0.1mol/L的硝酸即可达到脱附再生，对Cd²⁺的脱除率达到93.3%；循环使用到10次后其对Cd²⁺的吸附能力为初次使用时的48.83%，失活材料的后处理工序易操作，TGA分析表明洋姜失活材料的失重率为80%，焚烧后体积只有原来的1/12。综合各种实验数据及理论分析，洋姜茎叶对重金属离子具有良好的吸附效果，在治理重金属污染和环境修复领域具有巨大的应用潜质，并对如何提高洋姜茎叶的产品附加值提供了思路。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
1 绪论  12-26
  1.1 前言  12-13
  1.2 传统的处理方法  13
  1.3 生物吸附法  13-22
    1.3.1 微生物细菌吸附法  13-14
    1.3.2 植物吸附法  14
    1.3.3 生物质吸附法  14-22
  1.4 洋姜的应用研究进展  22-23
  1.5 课题来源及主要研究内容  23-24
    1.5.1 课题来源  23
    1.5.2 课题主要研究内容  23-24
  1.6 本课题的创新点及意义  24-26
    1.6.1 创新点  24
    1.6.2 意义  24-26
2 洋姜茎叶吸附材料的制备及其表征  26-37
  2.1 引言  26
  2.2 试验试剂及仪器  26-27
    2.2.1 试验试剂  26-27
    2.2.2 仪器设备  27
  2.3 材料与方法  27-31
    2.3.1 洋姜茎叶材料的制备  27
    2.3.2 比表面积和孔隙率的测定  27-30
    2.3.3 微观形貌表征  30
    2.3.4 成分分析  30
    2.3.5 红外吸收光谱测定  30
    2.3.6 热重分析  30
    2.3.7 粒度测定  30
    2.3.8 Zeta 电位的测定  30-31
  2.4 结果与讨论  31-35
    2.4.1 比表面积、孔容及平均孔径  31
    2.4.2 扫描电镜分析  31-32
    2.4.3 成分分析  32
    2.4.4 红外光谱分析  32-33
    2.4.5 热稳定性分析  33-34
    2.4.6 粒度分析  34
    2.4.7 Zeta 电位分析  34-35
  2.5 本章小结  35-37
3 洋姜茎叶对 Cu~(2+)、Pb~(2+)、 Zn~(2+)和 Cd~(2+)、Cr~(3+)、Ag~+的吸附性能研究  37-57
  3.1 引言  37-38
  3.2 材料与方法  38-46
    3.2.1 试验材料  38-39
    3.2.2 仪器设备  39
    3.2.3 试验方法  39-44
    3.2.4 公式  44-46
  3.3 结果与讨论  46-55
    3.3.1 溶液 pH 的影响  46-47
    3.3.2 吸附剂用量的影响  47-48
    3.3.3 时间的影响及动力学拟合  48-50
    3.3.4 温度的影响及吸附热的计算  50-53
    3.3.5 金属离子浓度的影响及吸附模型的拟合  53-55
  3.4 本章小结  55-57
4 洋姜茎叶吸附材料对混合重金属离子选择吸附  57-81
  4.1 引言  57-58
  4.2 材料与方法  58-61
    4.2.1 试验材料  58
    4.2.2 仪器设备  58
    4.2.3 试验方法  58-61
  4.3 结果与讨论  61-78
    4.3.1 pH 的影响  61-62
    4.3.2 投料量的影响  62-63
    4.3.3 时间的影响及其动力学拟合  63-65
    4.3.4 温度的影响及吸附热的计算  65-68
    4.3.5 复配条件目标金属离子的去除率及其吸附模型  68-78
  4.4 本章小结  78-81
5 洋姜茎叶材料吸附重金属机理探究  81-88
  5.1 引言  81
  5.2 材料与方法  81-82
    5.2.1 X 射线荧光光谱 (XRF)分析  81-82
    5.2.2 ICP-MS  82
    5.2.3 红外吸收光谱分析  82
    5.2.4 SEM 和 EDS  82
    5.2.5 金属离子特性与吸附行为的关系  82
  5.3 结果与讨论  82-86
    5.3.1 XRF  82
    5.3.2 ICP-MS  82-83
    5.3.3 红外谱图  83-84
    5.3.4 SEM 和 EDS  84-85
    5.3.5 金属离子理化性质对比  85-86
  5.4 本节小结  86-88
6 洋姜茎叶吸附材料的再生和废弃物处理研究  88-95
  6.1 引言  88
  6.2 材料与方法  88-91
    6.2.1 试验材料  88
    6.2.2 仪器设备  88-89
    6.2.3 试验方法  89-91
  6.3 结果与讨论  91-93
    6.3.1 循环利用  91-92
    6.3.2 热重分析  92-93
    6.3.3 焚烧体积变化分析  93
  6.4 本章小结  93-95
结语  95-97
致谢  97-98
参考文献  98-108
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果  108

洋姜茎叶等对重金属离子吸附的应用基础研究

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