吸附剂改性技术以及在环境工程中的应用研究VIP

洛阳理工学院毕业设计（论文）I吸附剂改性技术以及在环境工程中的应用研究环境工程与化学系 陈延彬指导老师 姚珺摘 要吸附剂在现代工业生产中有极其广泛的应用，并且具有处理效果好，适应性高，成本低等优点，因此吸附剂在现在工业中有着重要的地位，了解吸附剂基本知识及其改性技术对提高生产效率和降低生产成本至关重要。本文简要介绍了吸附剂的种类，吸附剂的制备过程以及吸附原理，并且着重介绍了几种常用吸附剂的特性、制备工艺、应用以及改性技术，如活性炭、吸附树脂、淀粉类吸附剂等。同时随着现有吸附剂特性的不断完备以及新型吸附剂的不断研制成功，吸附剂的应用愈加广泛。本文着重接介绍了吸附剂在环境工程中水处理方面的应用研究现状及发展趋势。关键词： 吸附剂,吸附法,改性技术,应用洛阳理工学院毕业设计（论文）IIAdsorbent modification technology and its application in environmental engineering research ABSTRACTAdsorbent in modern industrial production has been widely used, and has good treatment effect, high adaptability, low cost, so the adsorbent in the modern industry plays an important role in understanding of basic knowledge, adsorbent and modification technology to improve production efficiency and reduce production cost is very important. This paper briefly introduces the types of adsorbent, adsorbent preparation process and the adsorption principle, and introduces several kinds of commonly used adsorbent properties, preparation, application and modification technology, such as activated carbon, adsorption resin, starch adsorbent. At the same time as the perfection of existing adsorbent properties and new adsorbent has successfully applied more and more widely, adsorbent. This paper focuses on the ground introduces research and application situation and development trend in water treatment engineering of the adsorbent.KEY WORDS: Adsorbent ,Adsorption method ,Modification technology ,Application 洛阳理工学院毕业设计（论文）III目 录前 言 .1第 1 章 吸附的知识概论 .21.1 吸附概念 .21.2 吸附的作用机理 .21.2.1 动力学分离吸附 .31.2.2 平衡分离吸附 .31.3 吸附剂特性及其种类 .4第 2 章 活性炭 .62.1 活性炭的分类及特性 .72.1.1 粒状活性炭 .72.1.2 粉状活性炭 .72.1.3 活性炭的特性 .82.2 活性炭的制备 .82.3 活性炭改性技术 .92.3.1 原料料的预处理 .92.3.2 添加催化剂 .92.4 活性炭吸附剂的应用 .92.4.1 水溶性油的吸附去除 .92.4.2 废水中的酚的吸附去除 .102.4.3 其他方面的应用 .10第 3 章 吸附树脂 .123.1 吸附树脂的分类及特征 .123.2 吸附树脂的合成 .123.2.1 氯球的制备 .123.2.2 所需基团的接枝 .133.2.3 最终的合成反应 .133.3 吸附树脂的改性方法 .13第 4 章 改性淀粉吸附剂 .14洛阳理工学院毕业设计（论文）IV4.1 改性淀粉吸附剂的特点 .144.2 多孔淀粉的改性 .154.3 环状糊精的制备 .154.4 接枝共聚淀粉吸附剂 .154.5 改性淀粉黄原酸酯吸附剂 .16第 5 章 改性纤维素类吸附剂 .175.1 纤维素类吸附剂的特性 .175.2 改性纤维素吸附剂的制备 .175.2.1 改性纤维素吸附剂制备方法 .175.2.2 制备注意事项 .185.3 改性纤维素吸附剂的应用研究 .185.3.1 在医学中的应用 .195.3.2 在环保工程中的应用 .195.3.3 其他方面的应用 .195.4 改性纤维素吸附剂的发展趋势 .19第 6 章 改性壳聚糖类吸附剂 .216.1 壳聚糖吸附剂特性 .216.2 壳聚糖吸附剂的改性及其应用前景 .21第 7 章 新型吸附剂在水处理中的应用及前景 .237.1 水处理中去氟 .237.2 废水中重金属的处理 .247.2.1 去除废水中的砷 .257.2.2 去除废水中的铅 .257.3 有机印染废水的净化 .25谢 辞 .28参考文献 .29外文资料翻译 .32洛阳理工学院毕业设计（论文）1前 言在很多年以前, 西汉就懂得利用炭的吸附性除去湿气和潮气,这个事实说明当时古代人民已经知道炭有很强的吸附作用,1773年发现了“木炭一气体”系统中的吸附现象,从这以后,随着科学技术的快速发展,吸附技术在石化、食品、药品等工业生产中对流体中某一或者某些组分的的精制与分离方面有了更普遍的应用,吸附技术在某些行业是不可或缺的一个步骤。而某一吸附操作的技术经济性也往往取决于吸附剂的选择是否得当。自1959年发明合成沸石以来,吸附剂的革新和吸附工艺的发展使得吸附剂成为化学工业,石化工业和制药工业中的一个重要分离手段，在所有未来的能源和环境技术中，吸附剂将变为一个关键的不可或缺的角色。例如，燃料电池中氢的储存和CO的除去（从氢中除去，达到1*10 -6g/l） 、燃料运输中的脱硫,以及在大气污染和水处理中的重要应用。而且20世纪60年代以来，吸附理论及吸附剂的发展取得了长足的进步，随着社会经济的发展，人们对环境保护的意识逐渐加强，特别是近20年来新型纳米材料、介孔分子筛、碳分子筛、柱撑黏土、碳纳米纤维等新型吸附剂的发展以及在环境保护方面的潜在的应用引起了广大研究者的更多的关注。但是对于以上这些吸附剂仍具有很大的可开发性，有些时候并不能完全满足实际生产中的应用要求，这就要求我们继续研究开发新型吸附剂和吸附剂改性技术对吸附剂进行更新或者改性来满足生产中的应用。本文着重分析了活性炭、吸附树脂、改性淀粉类吸附剂、改性纤维素类吸附剂、改性木质素类吸附剂、改性壳聚糖类吸附剂的性质、特点以及它们的制备方法、及其在环境保护和水处理领域潜在的应用价值和最新的研究成果。洛阳理工学院毕业设计（论文）2第 1 章 吸附的知识概论1.1 吸附概念当流体与多孔固体接触时,流体中某一成分分或多个成分在固体表面处产生富集,这种现象称为吸附。吸附作为传质过程，构成物质的分子和其他分子有互相吸引的作用，但物质表面的分子，特别是相对物质外部的效用没有得到完全发挥，因此液体或固体物质的表面可以吸附其他的液体或气体，尤其是表面面积很大的情况下，这种吸附力能产生很大的作用，所以工业上经常利用大面积的物质进行吸附，如活性炭、水膜等。在固体表面积蓄的组分称为吸附物或吸附质，而那个固体被称为吸附剂。总来的来说，吸附实指物体本身对其他物体分子的吸引。固体就是吸附剂，被吸附的就是吸附质。由于吸附质与吸附剂表面分子结合的效力，可分为物理效应和化学效应。物理吸附由物质和被吸附物质分子间引力作用，结合力较弱，很容易分裂开来，想活性炭用于吸附气体就是物理吸附。化学吸附则由物质和被吸附物质之间通过化学键连接在一起,就像化学反应，这种情况是不可逆的,吸附热总是较大。在化工工艺中,吸附就是指用固体物质处理流体混合物,将其中混杂在一起的一种甚至多种组分分离开来，进行提纯。吸附分离广泛应用于化工、石油、食品、轻工和环境保护等部门。1.2 吸附的作用机理吸附操作的作用机理总的来说可以分为 3 种。首先是位阻效应，位阻效应主要是在沸石和分子筛的工作原理。在这种条件下只有较小的并且形状大小合适的分子能够扩散到吸附剂中，但是别的分子都被阻隔。接着是动力学分离。这种作用机理是由于不同分子的扩散速率必定不同来实现的。很多吸附分离过程都是由于混合物的平衡吸附来实现的，所以称作平衡分离过程。洛阳理工学院毕业设计（论文）3同时因为晶体结构中的特殊孔径尺寸，所以位阻分离是沸石和分子筛的特有机理。位阻效应的两大代表应用是用 3A 沸石进行干燥和用 5A 沸石从 n-烷烃的烃类中分离正构烷烃。所以这一类的分离一般也看做平衡分离，即吸附分离的作用机理可以大致分为动力学分离吸附和平衡分离吸附。1.2.1 动力学分离吸附分离的机理是借助不同分子的扩散速率不同来完成的。尽管动力学分离只是有限的应用，但是它具有很大的潜在应用领域。当平衡分离不可行时可以考虑选择使用动力学分离，空气分离就是一个很好的例子，动力学分离能弥补平衡分离的不足。运用沸石的变压吸附进行空气分离是基于优先吸附 N2,而不是 O2，因此可以从空气中分离 O2作为产品。N 2在空气中占 78%，如果用一种 O2的选择性吸附剂，那么空气的分离只用 1/4 的工作量就完成与现在沸石相同的分离量。这是一种特殊的从空气中分流氮气作为产品的方法。氧气在碳分子筛中的扩散速率是氮气的 30 倍，虽然碳分子筛的吸附能力只是沸石的几分之一，但是用碳分子筛从空气中分离氮气作为产品是比较经济的。将甲烷从二氧化碳中分离出来同样可以通过碳分子筛的动力学原理实现。运用 AIPO4-14 分离丙烷/丙烯的可行性已经被证明。天然气的浓缩，从甲烷中除去氮气是动力学效应最大的潜在应用。对于动力学分离，需要吸附剂孔径恰好在 2 种被分离离子的动力学直径之间。已经有很多具有不同孔径的微孔分子筛被合成出来，这样就能作为吸附剂应用。1.2.2 平衡分离吸附对于平衡分离，吸附剂设计/选择的起点是从检测被吸附的基本特性开始（与混合物种的其他分子相比较）：极化性、磁性、磁化系数、永久偶极矩和四极矩。如果目标分子具有很高的极化性和磁化系数却没有极性，那么具有较大表面积的碳是一种很好的选择。具有很高表面极性的吸附剂（例如活性氧化铝、硅胶和沸石）能够成为具有高偶极矩（和高极性化）目标分子的理想载体。如果目标分子具有很高的四极矩，吸附剂的表面需要有很高的电场梯度。沸石就是这样的吸附剂，阳离子分散到带负电荷氧化物表面。高价化合物的阳离子和小粒径离子有很洛阳理工学院毕业设计（论文）4强的交互作用。以上讨论的这些仅使用于目标分子吸附剂吸附位之间的结合能。目标分子同时也受到微孔表面上其他原子的影响，这种影响虽然是第二位的但也是很重要的。1.3 吸附剂特性及其种类吸附剂是能顺利的从流体混合物中吸附某一或者多种组分的固体物质。吸附剂通常有这些特点：比表面积远大于普通物质、孔径构造数量多以及合适的表面构造；而且对吸附质有着较打的吸附作用；通常条件下不和吸附质和介质有任何活性；制备工艺简便，成本低；机械强度较好等。常用吸附剂按孔径大小可以分为粗孔和细孔吸附剂；按外部形状可以分为粉状、粒状、条状吸附剂；按分子组成可以分为淀粉或者碳质吸附剂；按照表面极性的不同可以分为极性和非极性吸附剂等。通常生产中常用的吸附剂有活性炭、硅胶、活性铝、碳分子筛、沸石分子筛、硅酸盐、聚合物吸附剂、不可逆吸附剂、生物吸附剂等。吸附剂的好坏可以从以下几个方面着手：对目标物质吸附容量、利用率、比表面积、再生的易难程度等。好的吸附处理工艺需要选对好的吸附剂，总的来说，所有固体都具有吸附能力，可是只有具有很大的比表面积的多空固体才能成为好的吸附剂。而且要作为工业吸附剂还有以下几个条件：（1）吸附效力强；（2）吸附选择性好；（3）吸附平衡浓度较小；（4）便于再生和重复利用；（5）机械强度好；（6）化学性质不活泼；（7）原料来源广泛；（8）价格低廉。一般工业吸附剂无法同时满足这八个方面的条件，因此，在吸附处理过程中应该看的情况选用不同的吸附剂。洛阳理工学院毕业设计（论文）5第 2 章 活性炭 活性炭应用与水污染处理过程已经有很长时间了。特别是在60年代后有较大发展，国内外的学者已在活性炭的研发和制备以及功能用途方面作了大量的努力。制作活性炭的原料品种多、来源丰富，包括动植物 (如木料、锯木屑、谷壳、稻洛阳理工学院毕业设计（论文）6麦秸秆)、煤碳、石油二级产物、纸浆废物、橡胶以及其他有机废弃物(如废轮胎)等。但是，活性炭因制作工艺、原料的不同，功效悬殊非常大，用途也不一样，目前生产