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基本信息

項目名稱：
磁性纖維素/Fe3O4/活性炭復(fù)合材料吸附剛果紅性能研究
小類：
能源化工
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(fù)合吸附劑，運(yùn)用XRD、SEM、TGA等技術(shù)手段對其進(jìn)行全面表征。將剛果紅溶液作為目標(biāo)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(xué)、熱力學(xué)及吸附機(jī)理進(jìn)行探討。
詳細(xì)介紹：
印染廢水具有無機(jī)鹽含量高、色度大、成分復(fù)雜、化學(xué)穩(wěn)定性高、可生化性差、脫色困難等特點(diǎn)，一般難以直接生化處理。同時會對環(huán)境造成不可彌補(bǔ)的破壞，危害水生生物生存及人類的健康。吸附被認(rèn)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(guān)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(diǎn)，成為處理印染廢水的研究熱點(diǎn)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(nóng)副產(chǎn)品中,具有價格低廉、環(huán)境友好、可再生等優(yōu)點(diǎn)。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(nèi)存在大量的羥基，能有效吸附陽離子，提高處理有機(jī)廢水的能力。然而，盡管國內(nèi)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(jìn)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(jī)溶劑。傳統(tǒng)纖維素溶解工藝通常反應(yīng)緩慢且條件嚴(yán)苛、成本高昂、污染嚴(yán)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(guān)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(chǎn)中使用。故將纖維素基吸附劑廣泛運(yùn)用于實際中就需要對“綠色化”纖維素溶劑進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，這也是纖維素吸附劑制備研究的一大熱點(diǎn)。通過低溫溶解技術(shù)，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(qiáng)、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(zhì)Fe3O4納米粒子，可以對新型纖維素基吸附劑進(jìn)行簡單方便的磁回收，有效的解決生物復(fù)合材料回收難的問題。另外，可以在纖維素吸附劑的基礎(chǔ)上引入無機(jī)吸附材料(活性炭)，從而有效提高吸附劑對有機(jī)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(fù)合材料技術(shù)、磁分離等技術(shù)，成功制備出磁性纖維素/ Fe3O4/活性炭復(fù)合吸附劑，運(yùn)用XRD、SEM、TGA等技術(shù)手段對其進(jìn)行全面表征。將剛果紅溶液作為目標(biāo)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(yīng)溫度等因素對磁性復(fù)合吸附劑吸附染料性能的影響，并對吸附動力學(xué)、熱力學(xué)及吸附機(jī)理進(jìn)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(diǎn)，有望在含有機(jī)染料、酚類、重金屬廢水處理中得到應(yīng)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(fù)合材料技術(shù)等，制備纖維素/ Fe3O4/活性炭磁性復(fù)合吸附劑；運(yùn)用XRD、SEM等對其進(jìn)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(xué)、熱力學(xué)及機(jī)理進(jìn)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(diǎn)。本項目的開展可推動綜合利用纖維素 “綠色化”進(jìn)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(jì)價值。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

（1）纖維素低溫溶解技術(shù)克服了傳統(tǒng)工藝并推動綜合利用纖維素 “綠色化”進(jìn)程； （2）NaOH/硫脲/尿素混合體系對纖維素的溶解能力強(qiáng)、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(fù)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(jì)價值。

應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義

本項目結(jié)合浙江地方產(chǎn)業(yè)實際和環(huán)境現(xiàn)狀，研究和開發(fā)新型、高效、經(jīng)濟(jì)、易回收的環(huán)境友好水處理吸附劑，并將研究成果初步運(yùn)用到印染廢水的處理中。該項目研究成果工業(yè)化應(yīng)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(wù)，為社會服務(wù)，可改善城市市容，提高衛(wèi)生水平，保護(hù)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(jìn)程，同時在控制印染廢水方面有明顯的社會意義和經(jīng)濟(jì)價值。

學(xué)術(shù)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(fù)合吸附劑,運(yùn)用XRD、SEM、TGA等技術(shù)手段對其進(jìn)行全面的表征。將剛果紅溶液作為目標(biāo)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(xué)、熱力學(xué)進(jìn)行初步探討。結(jié)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(fù)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(xué)方程，內(nèi)擴(kuò)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(yīng)的進(jìn)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(nóng)業(yè)科學(xué)》正式接收。

鑒定結(jié)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(xué)方程，內(nèi)擴(kuò)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(yīng)進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)

現(xiàn)有技術(shù) (1)纖維素的低溫溶解技術(shù)：采用預(yù)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(fù)合材料技術(shù) (4)磁分離技術(shù) (5)XRD、SEM、TGA等現(xiàn)代表征手段 技術(shù)文獻(xiàn)檢索目錄 [1]金華進(jìn),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(fù)雜的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，有熱、光穩(wěn)定性好等特性，使得印染廢水較難直接進(jìn)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(fèi)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(diǎn)。 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(diǎn)，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(jié)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(fù)雜，工藝難以控制，能耗大，污染嚴(yán)重，限制了纖維素吸附劑在生產(chǎn)生活中的廣泛應(yīng)用。當(dāng)今社會科學(xué)與技術(shù)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(jìn)程，“綠色化”纖維素溶劑應(yīng)運(yùn)而生，但由于原料貴、回收難、存在副反應(yīng)等僅限于實驗室研究。故將纖維素吸附劑廣泛運(yùn)用到實際中就需要對“綠色化”纖維素溶解進(jìn)行改進(jìn)。金華進(jìn)等人發(fā)明了溶解能力更強(qiáng)、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(shù)。 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(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到水處理行業(yè)中。Fe3O4和?-Fe2O3具有良好的磁性、化學(xué)穩(wěn)定性以及生物相容性而被廣泛的運(yùn)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(jìn)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(qiáng)。為彌補(bǔ)纖維素單獨(dú)作為吸附劑的不足，近年來國內(nèi)外主要側(cè)重于纖維素二元復(fù)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(fù)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(nèi)外也進(jìn)行了相應(yīng)的大量研究。但是二元復(fù)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(diǎn)，卻無法改善選擇吸附能力不強(qiáng)。因此，國內(nèi)外的研究重點(diǎn)正在逐步轉(zhuǎn)向三元復(fù)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(jī)染料。由于三元復(fù)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(yīng)用前景。 采用低溫溶解技術(shù)將纖維素預(yù)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(nèi)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(jìn)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(jì)價值。
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