基本信息
- 項目名稱：
- 磁性纖維素/Fe3O4/活性炭復合材料吸附剛果紅性能研究
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 采用NaOH/硫脲/尿素混合水體系低溫溶解的綠色工藝制備纖維素溶液。用混合鐵鹽共沉淀法制備磁性納米Fe3O4粒子。將Fe3O4和活性炭同步修飾到纖維素表面，制備纖維素/ Fe3O4/活性炭磁性復合吸附劑，運用XRD、SEM、TGA等技術手段對其進行全面表征。將剛果紅溶液作為目標污染物，評估了吸附劑投加量、廢水濃度、溫度等因素對吸附劑吸附染料性能的影響，并對吸附動力學、熱力學及吸附機理進行探討。
- 詳細介紹：
- 印染廢水具有無機鹽含量高、色度大、成分復雜、化學穩(wěn)定性高、可生化性差、脫色困難等特點，一般難以直接生化處理。同時會對環(huán)境造成不可彌補的破壞，危害水生生物生存及人類的健康。吸附被認為是最徹底和有效的染料廢水處理方法之一，而吸附劑是決定吸附處理的關鍵。天然生物吸附材料(如殼聚糖、纖維素等)因具有價廉易得、可再生和安全無毒等特點，成為處理印染廢水的研究熱點之一。 纖維素是世界上分布最廣，含量最豐富的一類天然高聚糖化合物，主要存在于棉花、亞麻、木材等農副產品中,具有價格低廉、環(huán)境友好、可再生等優(yōu)點。作為一種低成本的天然高分子吸附劑，纖維素吸附劑具有生物可降解性及良好的生物相容性，已被廣泛用于去除廢水中的染料及重金屬；其分子內存在大量的羥基，能有效吸附陽離子，提高處理有機廢水的能力。然而，盡管國內外對纖維素基吸附劑材料有較多的研究，但仍然存在較多難題，有待進一步的突破，例如，現(xiàn)有天然纖維素吸附劑制備難、處理后的纖維素吸附劑回收難等等。纖維素屬于直鏈化合物，其分子長鏈間通過氫鍵連接，故不溶于水、稀酸、稀堿及一般有機溶劑。傳統(tǒng)纖維素溶解工藝通常反應緩慢且條件嚴苛、成本高昂、污染嚴重，極大的限制了纖維素吸附劑的發(fā)展。近年來，“綠色化”綜合利用纖維素已經(jīng)引起了政府及研究人員的廣泛關注。但常見的“綠色化”纖維素溶劑僅限于實驗室研究，未能在大規(guī)模生產中使用。故將纖維素基吸附劑廣泛運用于實際中就需要對“綠色化”纖維素溶劑進行優(yōu)化改進，這也是纖維素吸附劑制備研究的一大熱點。通過低溫溶解技術，纖維素能快速溶解于NaOH/硫脲/尿素混合體系中，該體系對纖維素的溶解能力強、溶劑無毒、環(huán)境友好、價格便宜。通過在材料中引入磁性物質Fe3O4納米粒子，可以對新型纖維素基吸附劑進行簡單方便的磁回收，有效的解決生物復合材料回收難的問題。另外，可以在纖維素吸附劑的基礎上引入無機吸附材料(活性炭)，從而有效提高吸附劑對有機污染物的吸附容量。 本項目采用纖維素低溫速溶、納米生物復合材料技術、磁分離等技術，成功制備出磁性纖維素/ Fe3O4/活性炭復合吸附劑，運用XRD、SEM、TGA等技術手段對其進行全面表征。將剛果紅溶液作為目標污染物，評估了磁性生物吸附劑投加量、印染廢水的初始濃度、反應溫度等因素對磁性復合吸附劑吸附染料性能的影響，并對吸附動力學、熱力學及吸附機理進行探討。該新型磁性吸附劑具有成本低、來源廣、無污染、易回收等優(yōu)點，有望在含有機染料、酚類、重金屬廢水處理中得到應用。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 利用低溫速溶、混合鐵鹽共沉淀法、納米生物復合材料技術等，制備纖維素/ Fe3O4/活性炭磁性復合吸附劑；運用XRD、SEM等對其進行表征；并用于處理剛果紅溶液，評估吸附劑投加量、廢水濃度、溫度等對吸附性能的影響，并對動力學、熱力學及機理進行探討。該吸附劑具有成本低、來源廣、無污染、易回收等優(yōu)點。本項目的開展可推動綜合利用纖維素 “綠色化”進程，同時在控制印染廢水污染方面有明顯的社會意義和經(jīng)濟價值。
科學性、先進性及獨特之處
- （1）纖維素低溫溶解技術克服了傳統(tǒng)工藝并推動綜合利用纖維素 “綠色化”進程； （2）NaOH/硫脲/尿素混合體系對纖維素的溶解能力強、溶劑無毒、環(huán)境友好、價格便宜。 （3）將Fe3O4、活性炭引入材料，克服了吸附劑回收難的問題，并提高吸附容量。 （4）磁性纖維素/ Fe3O4/活性炭復合材料吸附剛果紅性能研究尚未見報道。 故本項目在控制印染廢水污染方面有明顯的社會意義和經(jīng)濟價值。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 本項目結合浙江地方產業(yè)實際和環(huán)境現(xiàn)狀，研究和開發(fā)新型、高效、經(jīng)濟、易回收的環(huán)境友好水處理吸附劑，并將研究成果初步運用到印染廢水的處理中。該項目研究成果工業(yè)化應用后，可有效地解決眾多工業(yè)企業(yè)的水污染問題，為城市服務，為社會服務，可改善城市市容，提高衛(wèi)生水平，保護人們身體健康。因此，本項目的開展可推動綜合利用纖維素的“綠色化”進程，同時在控制印染廢水方面有明顯的社會意義和經(jīng)濟價值。
學術論文摘要
- 采用NaOH/硫脲/尿素混合水溶液低溫溶解的綠色工藝快速溶解纖維素，并以纖維素、Fe3O4、活性炭為原料，制得磁性纖維素/Fe3O4/活性炭復合吸附劑,運用XRD、SEM、TGA等技術手段對其進行全面的表征。將剛果紅溶液作為目標污染物，考察了吸附劑投加量、溶液初始濃度等對吸附效果的影響，并對吸附動力學、熱力學進行初步探討。結果表明增大溶液初始濃度能有效提高吸附量；去除率隨著吸附劑投加量的增加而提高。磁性纖維素/Fe3O4/活性炭復合吸附劑對剛果紅偶氮染料的吸附等溫線符合Freundlich模型，吸附過程符合擬二級動力學方程，內擴散為主要控速步驟。吸附是熵推動的自發(fā)放熱過程，低溫有利于反應的進行。
獲獎情況
- 本作品為浙江省新苗人才計劃項目的階段性研究成果，現(xiàn)已被北大中文核心期刊《安徽農業(yè)科學》正式接收。
鑒定結果
- 實驗表明增大濃度能有效提高吸附量；去除率隨投加量的增加而提高。吸附等溫線符合Freundlich模型，吸附過程符合擬二級動力學方程，內擴散為主要控速步驟。吸附是熵推動的自發(fā)放熱過程，低溫有利反應進行。
參考文獻
- 現(xiàn)有技術 (1)纖維素的低溫溶解技術：采用預冷處理NaOH/硫脲/尿素混合水溶液快速溶解纖維素,制得透明的纖維素溶液。 (2)混合鐵鹽溶液共沉淀法：制備磁性納米Fe3O4離子。 (3)納米生物復合材料技術 (4)磁分離技術 (5)XRD、SEM、TGA等現(xiàn)代表征手段 技術文獻檢索目錄 [1]金華進,顧利霞. 一種溶解纖維素的溶劑及其制備方法和用途: 中國,200510027217 [P]. 2005-11-23. [2]張俐娜,周金平,蔡 杰,等. 二步凝固浴法制備新型再生纖維素的方法,200510018799 [P]. 2005-11-30.
同類課題研究水平概述
- 合成偶氮染料含有復雜的苯環(huán)結構，有熱、光穩(wěn)定性好等特性，使得印染廢水較難直接進行生化處理。主要處理法為活性炭吸附。由于其耗量大，成本及再生費用高等，尋求成本低、吸附效果好的天然吸附劑已成為研究熱點。 纖維素是地球上最豐富的可再生天然資源，具有比表面積大、成本低、吸附速率快等優(yōu)點，因此世界各國都十分重視對纖維素吸附劑的研究與開發(fā)。但纖維素具有高度結晶度，不溶于普通溶劑。至今纖維素溶解仍以粘膠法為主，該方法過程復雜，工藝難以控制，能耗大，污染嚴重，限制了纖維素吸附劑在生產生活中的廣泛應用。當今社會科學與技術已經(jīng)趨向可再生的原料及環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展的方法和進程，“綠色化”纖維素溶劑應運而生，但由于原料貴、回收難、存在副反應等僅限于實驗室研究。故將纖維素吸附劑廣泛運用到實際中就需要對“綠色化”纖維素溶解進行改進。金華進等人發(fā)明了溶解能力更強、使用范圍更廣、溶解無毒、環(huán)境友好、價格便宜的NaOH/硫脲/尿素混合水體系，即本項目所采用的低溫溶解技術。 傳統(tǒng)纖維素吸附劑經(jīng)吸附處理后均很難有效快速地從水體中分離再生。近年來，磁分離技術已經(jīng)被應用到水處理行業(yè)中。Fe3O4和?-Fe2O3具有良好的磁性、化學穩(wěn)定性以及生物相容性而被廣泛的運用于磁性吸附劑的制備中。Wang Y等人利用沉淀生成法制得殼聚糖磁性微球，并對其吸附牛血清蛋白的吸附性能進行了研究。 除難分離回收外，天然纖維素吸附劑的選擇吸附能力并不是很強。為彌補纖維素單獨作為吸附劑的不足，近年來國內外主要側重于纖維素二元復合材料的改性研究。彭望明以甲殼素與脫脂棉為原料制備甲殼素-纖維素復合吸附劑，研究了吸附時間、吸附溫度、吸附劑投加量等因素對吸附效果的影響。此外，國內外也進行了相應的大量研究。但是二元復合材料，例如磁性纖維素吸附劑克服了很難有效快速分離再生的缺點，卻無法改善選擇吸附能力不強。因此，國內外的研究重點正在逐步轉向三元復合吸附劑。Lou等制備了含活性炭的磁性珠狀纖維素吸附劑，并用于去除水中有機染料。由于三元復合吸附劑大大改善了纖維素吸附劑的吸附能力，具有廣闊應用前景。 采用低溫溶解技術將纖維素預溶解，再通過微乳化法將活性炭和Fe3O4同步修飾纖維素上，制得磁性纖維素吸附劑的研究國內尚未見報道。故本項目的開展不僅可推動綜合利用纖維素的“綠色化”進程，同時在控制印染廢水污染方面具有明顯的社會意義和經(jīng)濟價值。
