植物秸秆改性制备的纤维素黄原酸钙盐吸附特性与工艺优化研究

【摘要】：石油、煤炭等矿物资源储量的日益下降以及价格的持续高涨,人们赖以依存的矿物化工产品越来越受到资源的限制,在这样的时代大背景下,生物质资源的利用引起了人们的日益重视。同时,现代工业的迅速发展产生了大量含重金属废水,对环境和人体健康造成严重危害,研究开发成本低廉且性能良好的重金属去除材料具有重要意义。纤维素以其可再生性和丰富的储量以及无毒、可降解性、对环境友好等特点受到全世界研究人员的关注,纤维素或生物质基材料已经成为研究热点。 本文研究了包括水生植物凤眼莲在内的6种植物秸秆制备的纤维素黄原酸盐的吸附特性,并重点对纤维素黄原酸盐的制备工艺进行优化,为利用包括凤眼莲在内的秸秆和其它农业废弃物开发高效的生物质基吸附剂提供理论依据；本研究丰富了植物生物质改性理论和方法,对促进富营养化水体中凤眼莲秸秆资源的高值化利用具有重要意义。主要结果如下： (1)所测6种植物原料中,4种陆生植物——甘蔗渣、油菜秆、水稻秆和木屑的纤维素含量高于2种水生植物——凤眼莲和空心莲子草(其中木屑纤维素含量是空心莲子草的2.3倍),但陆生植物制备的纤维素黄原酸钙盐对Cd的吸附量低于水生植物制备的纤维素黄原酸钙盐,体现了水生植物特别是凤眼莲作为生物质吸附剂制备原料的优越性。植物秸秆改性制备的纤维素黄原酸钙盐中S含量与其Cd吸附量呈现正相关(直线相关系数r=0.787(n=6)),表明吸附剂中S元素是吸附重金属的关键元素。 (2)凤眼莲纤维素黄原酸钙盐(ECX)对Cd的吸附用Langmuir吸附等温方程拟合比Freundlich方程更适合；ECX对Cd的吸附动力学用准二级动力学方程拟合比用准一级动力学方程更好；ECX对Cd的吸附过程能自发进行,具有很好的吸附效果,且高温有利于吸附进行。 (3)碱性条件是纤维素发生黄化反应(酯化反应)的必要条件,在碱性条件下,引入的CS2发生了衍生化反应,其中主反应之一是溶于碱的CS2直接与碱化纤维素反应生成黄原酸钠,但在液相出现的物质都是副反应的产物,碱性越强,副反应越强。这表明在微晶纤维素制备纤维素黄原酸盐过程中,溶液pH对固相吸附剂的成分有着重要影响。 (4)在置换反应中,用钙盐(CaCl2)代替常用的镁盐(MgSO4)生成纤维素黄原酸钙盐,并在置换之前调节pH值为11,这样可以有效防止吸附剂产品中产生Mg(OH)2/MgCO3或Ca(OH)2/CaCO3等无机盐沉淀杂质；在NaOH碱化得到碱化纤维素之后增加水洗步骤,这样可以更完全地去除木质素从而有利于提高碱化纤维素的纯度,并有利于后续的置换反应前pH值的调节；在置换反应后,在对纤维素黄原酸钙盐洗涤时,用碱水与酒精混合液代替常用的无机盐与酒精混合液进行洗涤,有效提高了产品中有效成分(纤维素黄原酸钙盐)含量及其对重金属的吸附效果。 【关键词】：纤维素黄原酸钙盐 凤眼莲 吸附 工艺优化 重金属Cd
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X52
【目录】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-11
• 1 前言11-28
• 1.1 凤眼莲资源化利用现状11-15
• 1.1.1 水体生物修复12
• 1.1.2 能源化利用12-13
• 1.1.3 饲料化利用13-14
• 1.1.4 肥料化利用14
• 1.1.5 开发重金属离子吸附剂14
• 1.1.6 其它利用14-15
• 1.2 纤维素基吸附剂的研究应用15-24
• 1.2.1 纤维素化学和物理结构15-16
• 1.2.2 纤维素改性原理16-19
• 1.2.3 改性纤维素吸附剂的种类19-21
• 1.2.4 纤维素黄原酸盐的合成原理21-24
• 1.3 吸附等温线和吸附动力学以及热力学方程24-28
• 1.3.1 吸附等温线24-25
• 1.3.2 吸附动力学25-26
• 1.3.3 吸附热力学26-28
• 2 课题研究背景、意义、内容及技术路线28-31
• 2.1 研究背景和意义28
• 2.2 研究内容28-29
• 2.3 课题创新点29-30
• 2.4 技术路线30-31
• 3 不同植物秸秆纤维素黄原酸钙盐吸附性能比较研究31-47
• 3.1 前言31-32
• 3.2 材料和方法32-36
• 3.2.1 实验材料32
• 3.2.2 原料纤维素含量的测定32-33
• 3.2.3 不同植物的纤维素黄原酸钙盐制备33
• 3.2.4 纤维素黄原酸钙盐中S含量的测定33-35
• 3.2.5 重金属镉离子吸附量测定35-36
• 3.2.6 材料的FTIR结构表征36
• 3.3 结果与分析36-46
• 3.3.1 不同植物原料秸秆纤维素含量36
• 3.3.2 纤维素黄原酸钙盐中S含量36-37
• 3.3.3 不同植物制备的纤维素黄原酸钙盐的吸附性能37-41
• 3.3.4 材料的FTIR结构表征41-46
• 3.4 小结46-47
• 4 凤眼莲纤维素黄原酸钙盐对Cd吸附性能研究47-56
• 4.1 前言47-48
• 4.2 材料与方法48-49
• 4.2.1 实验材料48
• 4.2.2 凤眼莲纤维素黄原酸钙盐(ECX)制备方法48
• 4.2.3 吸附等温线实验48-49
• 4.2.4 吸附动力学实验49
• 4.3 结果与方法49-55
• 4.3.1 凤眼莲纤维素黄原酸钙盐对重金属Cd的吸附等温线49-52
• 4.3.2 凤眼莲纤维素黄原酸钙盐对重金属Cd的吸附动力学52-54
• 4.3.3 凤眼莲纤维素黄原酸钙盐对重金属Cd的吸附热力学54-55
• 4.4 小结55-56
• 5 凤眼莲纤维素黄原酸钙盐制备过程中不同pH值下产物的化学结构及其吸附性能比较56-70
• 5.1 前言56
• 5.2 材料与方法56-58
• 5.2.1 实验材料56-57
• 5.2.2 样品制备57
• 5.2.3 重金属Cd~(2+)吸附量测定57
• 5.2.4 吸附材料全Ca和S含量测定57-58
• 5.2.5 样品结构表征58
• 5.3 结果与分析58-69
• 5.3.1 黄化后不同pH值下溶液颜色58-59
• 5.3.2 吸附剂产率59
• 5.3.3 吸附剂吸附性能比较59-60
• 5.3.4 材料FTIR分析60-62
• 5.3.5 紫外-可见吸收光谱分析62-64
• 5.3.6 电镜扫描-能谱分析64-69
• 5.4 小结69-70
• 6 纤维素黄原酸盐制备工艺优化研究70-81
• 6.1 前言70
• 6.2 纤维素黄原酸盐的原制备工艺70-71
• 6.2.1 材料与方法70-71
• 6.2.2 结果与分析71
• 6.3 用钙盐代替镁盐,并在引入钙盐之前调节体系pH值至1171-73
• 6.3.1 材料与方法71-72
• 6.3.2 结果与分析72-73
• 6.4 碱化后蒸馏水洗至pH至不变73-75
• 6.4.1 材料与方法73-74
• 6.4.2 结果与分析74-75
• 6.5 混合洗涤液的筛选75-80
• 6.5.1 混合洗涤液中钙盐的浓度筛选75-77
• 6.5.2 用碱水代替混合洗涤液中的钙盐77-80
• 6.6 小结80-81
• 7 结论和展望81-83
• 7.1 结论81-82
• 7.2 研究展望82-83
• 参考文献83-93
• 攻读硕士期间发表文章、申请专利情况93-94
• 致谢94

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