壳聚糖负载硅藻土对直接大红溶液吸附性能研究

安徽工程大学毕业设计（论文）I壳聚糖负载硅藻土对直接大红溶液吸附性能研究姓名 班级 学号（某某大学某某学院 地点 邮编） 摘 要本文研究了壳聚糖负载硅藻土对模拟印染废水直接大红溶液的吸附性能。分别探讨了壳聚糖负载硅藻土量、染料浓度、介质的 pH 值、吸附温度及吸附时间对吸附性能的影响，最终得到了壳聚糖负载硅藻土对模拟染料废水直接大红溶液的最佳吸附条件。结果表明：对于一定浓度的直接大红溶液，随着壳聚糖负载硅藻土用量的增加，对直接大红溶液的吸附量逐渐增强，在负载硅藻土用量为 0.03g 左右效果较好；介质的 pH值在 3 的条件下，负载硅藻土对直接大红吸附性能较好；随着吸附时间的增长，吸附量不断增大最后达到平衡值，在 180min 左右达到平衡；温度对吸附性能影响较小，在45时吸附性能相对较好；负载硅藻土的吸附量随染料浓度的增大逐渐增大。结论：壳聚糖负载硅藻土用量在 0.03g 左右，pH 值在 3 条件下，时间在 180min 左右，温度在45时有很好的吸附性能。吸附量分别为：34.55mg/g，39.25mg/g，32.24mg/g，34.43mg/g。关键词：壳聚糖；硅藻土；壳聚糖负载硅藻土；直接大红溶液；吸附；分光光度法壳聚糖负载硅藻土对直接大红溶液吸附性能研究IIThe study of the adsorption behavior of Chitosan loaded diatomite for direct scarlet solution(XX XX XX)AbstractThis paper studies the absorption performance of Chitosan loaded diatomite on simulated dyeing wastewater direct scarlet solution and discusses the effects of Chitosan loaded diatomite dosage, medium pH values, adsorption temperature, adsorption time, and dye concentration on the adsorption properties. The study finally got the best adsorption conditions of activated Chitosan loaded diatomite on simulated wastewater direct scarlet solution. The results showed that: For a certain concentration of active direct scarlet solution, with the increasing amount of Chitosan loaded diatomite, the adsorption of Chitosan loaded diatomite on the activity of direct scarlet solution gradually enhanced. The best dosage of Chitosan loaded diatomite was 0.03g. pH value in the 3 acidic condition, activity of Chitosan loaded diatomite on direct scarlet solution has better solution adsorption. With the increase of adsorption time, adsorption grew to equilibrium value. Under normal circumstances, a balance achieved in 180 minutes; Temperature has little effects on adsorption, the relatively good temperature of adsorption is 45. Conclusion: the dosage of 0.03g or so of Chitosan loaded diatomite, pH conditions in the 3, in 180 minutes, the temperature at 45, has a good adsorption. Adsorption capacities are as follows:34.55mg/g,39.25mg/g,32.24mg/g,34.43mg/g.Keywords：Chitosan; diatomite; Chitosan loaded diatomite; direct scarlet solution; adsorption; spectrophotometry安徽工程大学毕业设计（论文）III目 录引 言 .- 1 -第 1 章 概 述 .- 2 -1.1 硅藻土与壳聚糖的基本性质 .- 2 -1.1.1 硅藻土的物理性质 .- 2 -1.1.2 硅藻土的化学性质 .- 2 -1.1.2.1 硅藻土的吸附性质 .- 2 -1.1.3 壳聚糖的性质 .- 3 -1.2 我国印染废水情况 .- 3 -1.2.1 利用微生物新陈代谢作用去除废水中的有机物的生物方法 .- 3 -1.2.1.1 好氧生物处理 .- 3 -1.2.1.2 厌氧生物处理 .- 3 -1.2.1.3 好氧-厌氧生物处理 .- 4 -1.2.2 基于胶体化学理论，采用混凝手段的化学方法 .- 4 -1.2.2.1 混凝法 .- 4 -1.2.2.2 高级氧化法 .- 4 -1.2.2.3 电化学方法 .- 4 -1.2.3 天然矿物质多孔材料吸附和膜分离技术的物理方法 .- 4 -1.2.3.1 .膜分离法 .- 4 -1.2.3.2 吸附法 .- 4 -1.3 硅藻土在纺织印染业的主要应用 .- 4 -1.4 硅藻土废水处理存在问题及发展趋势 .- 5 -1.4.1 存在问题 .- 5 -1.4.2 发展趋势 .- 5 -第 2 章 实验部分 .- 6 -2.1 主要实验试剂 .- 6 -2.2 主要实验仪器 .- 6 -2.3 实验原理 .- 6 -2.3.1 722N 可见分光光度计的测量原理 .- 6 -2.3.2 硅藻土吸附直接大红溶液的原理 .- 6 -2.3.2.1 硅藻土吸附直接大红溶液的吸附量计算 .- 6 -2.4 实验内容 .- 6 -2.4.1 壳聚糖负载硅藻土的制备 .- 6 -2.4.2 直接大红原始溶液的配制 .- 6 -2.4.3 实验方法 .- 7 -2.4.3.1 最大吸收波长的选取 .- 7 -2.4.3.2 工作曲线的绘制 .- 7 -2.4.3.3 壳聚糖吸附直接大红溶液 .- 7 -2.4.3.4 负载前后的硅藻土吸附直接大红溶液 .- 7 -壳聚糖负载硅藻土对直接大红溶液吸附性能研究IV第 3 章 结果与讨论 .- 9 -3.1 分光光度法测定直接大红溶液 .- 9 -3.1.1 最大波长的选取 .- 9 -3.1.2 标准曲线的绘制 .- 10 -3.2 壳聚糖吸附性能的研究 .- 11 -3.2.1 时间对壳聚糖吸附性能的影响 .- 11 -3.2.2 温度对壳聚糖吸附性能的影响 .- 12 -3.2.3 染料浓度对壳聚糖吸附性能的影响 .- 13 -3.2.4 壳聚糖量对壳聚糖吸附性能的影响 .- 14 -3.2.5 介质 pH 对壳聚糖吸附性能的影响 .- 15 -3.3 负载前后硅藻土吸附性能的研究 .- 16 -3.3.1 时间对负载前后硅藻土吸附性能的影响 .- 16 -3.3.1.1 负载前 .- 16 -3.3.1.2 负载后 .- 17 -3.3.2 温度对负载前后硅藻土吸附性能的影响 .- 18 -3.3.2.1 负载前 .- 18 -3.3.3 染料浓度对负载前后硅藻土吸附性能的影响 .- 20 -3.3.3.1 负载前 .- 20 -3.3.3.2 负载后 .- 20 -3.3.4 负载前后硅藻土量对负载前后硅藻土吸附性能的影响 .- 21 -3.3.4.1 负载前 .- 21 -3.3.4.2 负载后 .- 22 -3.3.5 介质 pH 对负载前后硅藻土吸附性能的影响 .- 23 -3.3.5.1 负载前 .- 23 -3.3.5.2 负载后 .- 23 -结论与展望 .- 25 -致谢 .- 26 -参考文献 .- 27 -安徽工程大学毕业设计（论文）V插图清单图 3-1 直接 大红在不 同波长下的吸光度 .- 10 -图 3-2 直接大红在不同浓度下的吸光度 .- 11 -图 3-3 时间对壳聚糖吸附效果的影响 .- 12 -图 3-4 温度与壳聚糖吸附量的关系 .- 13 -图 3-5 染料浓度与壳聚糖吸附量的关系 .- 14 -图 3-6 壳聚糖量与壳聚糖吸附量的关系 .- 15 -图 3-7 介质 pH 值与壳聚糖吸附量的关系 .- 16 -图 3-8 负载前时间与吸附量之间的关系 .- 17 -图 3-9 负载后时间与吸附量之间的关系 .- 18 -图 3-10 负载前温度与吸附量之间的关系 .- 19 -图 3-11 负载后温度与吸附量之间的关系 .- 19 -图 3-12 负载前染料浓度与吸附量之间的关系 .- 20 -图 3-13 负载后染料浓度与吸附量之间的关系 .- 21 -图 3-14 负载后硅藻土量与吸附量之间的关系 .- 22 -图 3-15 负载后硅藻土量与吸附量之间的关系 .- 22 -图 3-16 负载前 pH 值与吸附量之间的关系 .- 23 -图 3-17 负载后 pH 值与吸附量之间的关系 .- 24 -壳聚糖负载硅藻土对直接大红溶液吸附性能研究VI表格清单表 3-1 直接大红在不同波长下的吸光度 .- 9 -表 3-2 直接大红在不同浓度下的吸光度 .- 10 -表 3-3 时间对壳聚糖吸附效果的影响 .- 11 -表 3-4 温度对壳聚糖吸附效果的影响 .- 12 -表 3-5 染料浓度对壳聚糖吸附效果的影响 .- 13 -表 3-6 壳聚糖量对壳聚糖吸附性能的影响 .- 14 -表 3-7 介质 pH 对壳聚糖吸附性能的影响 .- 15 -表 3-8 负载前时间对吸附性能的影响 .- 16 -表 3-9 负载后时间对吸附性能的影响 .- 17 -表 3-10 负载前温度对吸附性能的影响 .- 18 -表 3-11 负载后温度对吸附性能的影响 .- 19 -表 3-12 负载前染料浓度对吸附性能的影响 .- 20 -表 3-13 负载后染料浓度对吸附性能的影响 .- 20 -表 3-14 负载前硅藻土量对吸附效果的影响 .- 21 -表 3-15 负载后硅藻土量对吸附效果的影响 .- 22 -表 3-16 负载前 pH 对吸附性能的影响 .- 23 -表 3-17 负载后 pH 值对吸附性能的影响 .- 23 -百手起驾整理为您引 言日益严重的印染废水污染已经成为制约我国经济建设和影响人民生活的显著问题，因此得到人们的普遍关注，染料废水由于其高化学需氧量、高色度、有机成分复杂 1-3、微生物降解程度低等诸多特点，一直是工业废水处理中的一大难题。治理染料废水行之有效的途径是先通过物理化学方法进行预处理脱色，去除生物毒性大、色度高的染料分子，提高废水的可生化性，然后通过后续生化处理，达到综合治理的目的。其中作为染料废水预处理的物理化学处理是十分关键的。在物理处理法中应用最多的是吸附法，目前工业上使用较多的吸附剂是粒状活性炭、活性硅藻土和树脂。研究表明，活性炭是大部分染料的最好吸附剂，但其再生困难，使用成本高。美国、日本等发达国家已经开始研究利用粘土作为絮凝剂进行污染废水的净化处理 4-5，达到了高效而经济地消除印染废水的污染。而我国仍采用无机盐及无机高分子絮凝剂等传统方法进行处理，这些方法在一定程度上对解决我国现实印染废水污染问题上与世界前沿的发展水平很难同步 6。硅藻土性能稳定，具有耐酸、孔容大、孔径大、比面积大、吸附性强,能吸附自身质量1.54倍的液体、吸附自身质量1115倍的油等性质 7。已在环境、化工、石油、建材等许多工业部门作为助滤剂、吸附剂、充填剂、催化剂载体、磨料增强剂和动物饲料补充剂等得到了广泛应用 8。壳聚糖分子中存在大量的游离氨基和羟基，可以有效去除废水中的过渡金属和有机物 9-10，但机械性能不稳定在很大程度上限制了其使用。为此，本文将壳聚糖分子链引入到硅藻土的层间，这样既可以产生结构正电荷，保证吸附能力，又弥补了硅藻土自身的缺陷。研究表明，制得的壳聚糖负载硅藻土具有吸附容量大、制备方便、无污染等优点。第 1 章 概 述1.1 硅藻土与壳聚糖的基本性质1.1.1 硅藻土的物理性质硅藻土是一种硅质岩石，主要分布在中国、美国、丹麦、法国、苏联、罗马尼亚等国。是一种生物成因的硅质沉积岩，它主要由古代硅藻的遗骸所组成。其化学成分以 SiO2 为主，还有少量的 Al2O3 、Fe 2O3 、CaO、MgO 等。可用 SiO2nH2O 表示，矿物成分为蛋白石及其变种。我国硅藻土储量 3.2 亿吨，远景储量达 20 多亿吨，主要集中在华东及东北地区，其中规模较大，工作做得较多的有吉林、浙江、云南、山东、四川等省，分布虽广，但优质土仅集中于吉林长白、云南两地区，其他矿床大多数为34 级土，由于杂质含量高，不能直接深加工利用。硅藻土的外型为块状或页岩状，颜色为白色、浅黄色、浅灰色、灰绿色、暗绿色及蓝灰色等，硅藻含量越大、杂质越少，则颜色愈白，质愈轻，密度 1.92.3g/cm，堆密度 0.340.65g/ cm，比表面积 4065m/g，孔体积 0.450.98m，吸水率是自身体积的 24 倍，熔点 16501750，在电子显微镜下可以观察到特殊多孔的构造。其比重一般为 0.40.9。质软而轻，多孔，易磨成粉末，硅藻颗粒细小约为0.0010.5mm，使硅藻土细腻、润滑。由于硅藻体具有很多的壳体孔洞，使硅藻土具有多孔质构造，孔隙度达 9092，吸水性强。硅藻土不溶于 HCl、H 2SO4 和 HNO3，但溶于 HF 和 KOH。是热、声和电的不良导体，因此可作为轻质、尽缘、隔音的建筑材料。由于硅藻土具有很多独特的物化性能，因而在产业上用途较广，它是理想的过滤介质、化工催化剂辅助物或载体、优质隔热保温材料、陶瓷原料、建筑材料，以及塑料、橡胶、油漆、制皂、制药等产业的优良填料。还可用做填料、吸附剂、洗涤剂、金属的檫光剂和用以制造水玻璃等。1.1.2 硅藻土的化学性质化学成份主要是 SiO2，含有少量 Al2O3、Fe 2O3、CaO 、MgO、K 2O、Na 2O、P 2O5和有机质。SiO 2 通常占 80%以上，最高可达 94%11。1.1.2.1 硅藻土的吸附性质藻土在废水中的应用研究，主要是利用硅藻土孔容大、孔径大、比面积大、吸附性强的性能，除去废水中的离子、色度、COD、BOD5 等。硅藻壳体具有大量的、有序排列的孔隙，使硅藻土具有了比较大的比表面积, 其比表面积约为 3.1 60mg/g，孔隙数量约为 2 2. 5 亿个/g。硅藻土表面、孔隙内表面分布有大量的硅羟基，硅羟基在水溶液中离解出 H+，使其颗粒带有一定的负电荷。由于硅藻土表面具有负电性，所以对于带正电荷的污染物来说，可通过电中和使胶体脱稳；但对带负电的胶体颗粒只能起到压缩双电层的作用，无法使其脱稳，从而无法得到比较好的去除效果。所以向硅藻土中加入适量的阳离子混凝剂，对硅藻土进行负载，就可同时实现对正、负电荷胶体颗粒的脱稳，从而会更大程度地提高污水处理效果。硅藻土表面带有负电性，所以对于带正电荷的胶体态污染物来说，它可实现电中和而使胶体脱稳 12。但城市生活污水或综合废水中的胶体颗粒大多是带负电的，所以如用普通的硅藻土作为污水处理剂，只能起到压缩双电层的作用，而无法使胶体颗粒脱稳，处理效果不佳。所以对硅藻土进行各种方式的负载，使其对带负电的胶体颗粒也能脱稳。如采用铝、铁等带正电荷的离子对其进行表面负载，或加入其他的絮凝剂复合制成负载硅藻土污水处理剂。硅藻土的巨大比表面、强大吸附性以及表面电性，使得其在污水处理过程中，不但能去除颗粒态和胶体态的污染物质，还能有效地去除百手起驾整理为您色度和以溶解态存在的磷(导致富营养化的主要污染物之一)和金属离子等。特别是对于含有较高工业废水比例的城市污水，其可能有较大的色度和较高浓度的金属离子，但对于负载硅藻土处理系统来说，由于其表面带负电，能有效地吸附去除一部分带正电荷的金属离子。1.1.3 壳聚糖的性质壳聚糖是甲壳素的脱乙酰化产物，又称可溶甲壳素、壳多糖、甲壳胺，是一种天然生物高分子聚合物，白色结晶性粉末。有很强的吸湿性，仅次于甘油、高于聚乙二醇、山梨醇。在吸湿过程中，分子中的羟基、胺基等极性基团与水分子作用而水合，分子链逐渐膨胀，随着 pH 值的变化，分子链从球状胶束变成线状。具有很好成膜性、透气性和生物相容性，且可生物降解。壳聚糖是白色无定形、半透明、略有珍珠光泽的固体，因原料不同和制备方法不同，分子量也从数十万到数百万不等，不溶于水和碱溶液，可溶于稀的盐酸、硝酸的无机酸和大多数的有机酸，不溶于稀的硫酸、磷酸。壳聚糖是一种天然高分子聚合物，属于氨基多糖，学名为(1-4)-2-乙酰氨基-2-脱氧 -D-葡萄糖 ，分子式为(C 8H13NO5)n。1.2 我国印染废水情况纺织印染行业排放的印染废水是我国工业系统中重点污染源之一，据国家环保总局统计，印染行业排放的印染废水总量位于全国各工业部门排放的总量第五位。2004年，全行业排水量 13.6 亿立方，而其污染物排放总量(以 COD 计)则位于各工业部门第六位。印染废水属于含有一定量难生物降解物质的有机性废水。其污染物浓度高(COD)，色度深，是难处理的工业废水之一。据有关资料，印染废水中退浆废水造成的污染约占纺织品湿加工整理废水总量的50%，退浆废水中大量的污染物来源于浆纱过程中所用的浆料。退浆废水中主要的污染物 PVA 及一些助剂，根据实测资料，天然浆料的退浆废水 COD 为 10g/l-20g/l，BOD 为 5-10g/l，属易生化的高浓度有机废水，pH 值一般在 9 左右，对于合成浆料(PVA) 的退浆废水 COD 介于 10-40g/l 之间，BOD 在 5000mg/l-1000mg/l 之间，pH值一般在 6 左右属于难生化的高浓度有机废水。因此，含 PVA 的废水排入水体后，在环境中大量积累，使水体表面泡沫增多，粘度加大，影响好氧微生物的活动，从而造成了严重的环境问题。处理印染废水常用的方法大致分为三种：1.2.1 利用微生物新陈代谢作用去除废水中的有机物的生物方法1.2.1.1 好氧生物处理活性污泥法在处理印染废水中应用最为普遍，这是因为活性污泥法具有可分解大量有机物、能去除部分色素、可调节 pH 值、运转效率高且费用低等优点。活性污泥法的 BOD 去除率一般可达到 80-90，COD 去除率一般可达到 40-60，脱色能力为 30-50 。由于常规活性污泥法对色度的去除往往不够理想且 COD 去除不高。因此，目前印染废水处理中，大多采用活性污泥处理的改进工艺。1.2.1.2 厌氧生物处理厌氧法具有应用范围广、能耗低、有机负荷高、剩余污泥量少和脱水性良好的特点。由于厌氧法能够把难降解的大分子有机物分解成小分子有机物现在采用不同措施改善此工艺，取得了一定成果李亚新等设计的厌氧生物滤池实验取得了较好效果，可使 COD 去除率达到 70-86，色度去除率为 60-84，且出水水质稳定。但是，单一的厌氧处理运行周期比较长，而且往往很难达到排放标准，特别是在气味和色度上，还需进一步处理。1.2.1.3 好氧-厌氧生物处理在印染废水处理中，好氧-厌氧工艺得到了深入的研究和应用。即在好氧处理前先进行厌氧处理，在兼性微生物的作用下。使印染废水中大分子有机物分解成小分子。非溶解性有机物成溶解性物质，难生物降解物质转化为生物降解物质。1.2.2 基于胶体化学理论，采用混凝手段的化学方法1.2.2.1 混凝法印染废水的混凝处理是以胶体化学的理论为依据。在混凝法中混凝剂起着主要作用，混凝剂是一种可用来有效分离引起水污染的细小悬浮颗粒的化学药剂，它的加入目的主要是去除直径在 10.7m-10.9m 范围内的胶体物质，胶体表面一般带有负电荷，相互排斥呈现出布朗运动的特征，形成稳定的悬浮液。如果加入的胶体或者带有正电荷的物质，可以中和胶体表面电荷，物理吸附力(The Van