（环境工程专业论文）麦草对水中苯胺的吸附性能研究.pdf

b e ( i n n e rm o n g o l i aa g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n g j i y i m a y , 2 0 11 i i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：己剁牢 日期劬年厂月订日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：屯剁笋 神墩j 7 弓名义 日期：别户3 - j 弓坼 日期：2 f 年月多日 1 1 3 1 国外吸附法处理废水中苯胺等有机物的研究现状2 1 3 2 国内吸附法处理苯胺废水的研究现状4 1 2 农作物秸秆概述5 1 2 1 农作物秸秆的主要成分5 1 2 2 麦草的s e m 结构图和红外图7 1 2 3 农作物秸秆的利用现状8 1 3 课题的研究意义与内容1 0 第2 章实验材料与方法1 1 2 1 主要实验仪器1 1 2 2 试验试剂1 l 2 3 实验材料1 1 2 3 1 吸附剂的制备。1 1 2 3 1 1 原状麦草吸附剂的制备1 l 2 3 1 2 炭化麦草吸附剂的制备1 2 2 3 2 动态吸附装置的制作1 2 2 4 实验方法1 2 2 4 1 麦草对水中苯胺的静态吸附试验1 2 2 4 1 1 麦草吸附苯胺表观吸附动力学试验。1 2 2 4 1 2 麦草吸附苯胺的单因素试验。1 2 2 4 1 3 麦草吸附苯胺的解吸试验1 2 2 4 2 麦草对水中苯胺吸附平衡、热力学和动力学试验1 3 2 4 2 1 吸附平衡试验13 2 4 2 2 吸附热力学试验13 2 4 2 3 吸附动力学试验1 3 2 4 3 麦草对水中苯胺的动态吸附试验1 3 2 4 3 1 动态吸附试验1 3 i v 2 6 3 1 动态吸附时吸附量的计算一1 7 2 6 3 2 动态吸附时的吸附模型1 8 2 6 3 2 1b d s t 模型的模拟1 8 2 6 3 2 2t h o m a s 模型的模拟1 9 第3 章麦草对水中苯胺的静态吸附性能研究2 0 3 1 麦草对水中苯胺的静态吸附性能2 0 3 1 1 麦草吸附苯胺的表观吸附动力学2 0 3 1 2 温度对麦草吸附苯胺的影响2 0 3 1 3 苯胺初始浓度对麦草吸附苯胺的影响2 1 3 1 4 固液比对麦草吸附苯胺的影响2 2 3 1 5 苯胺初始p h 值对麦草吸附苯胺的影响。2 2 3 1 6 麦草吸附苯胺的静态解吸试验2 3 3 2 麦草对水中苯胺静态吸附机制2 4 3 2 1 静态吸附时的吸附平衡。2 4 3 2 2 静态吸附时的吸附热力学2 5 3 2 3 静态吸附时的吸附动力学2 6 3 2 4 麦草静态吸附水中苯胺的吸附机制一2 7 3 2 5 基于吸附平衡数据的工艺设计2 9 第4 章麦草对水中苯胺的动态吸附性能研究3 l 4 1 苯胺初始浓度对穿透曲线的影响3 l 4 2 吸附床高度对穿透曲线的影响3 l 4 3 流速对穿透曲线的影响3 2 4 4 苯胺初始p h 值对穿透曲线的影响3 3 4 5 麦草吸附苯胺后的动态解吸3 4 v 麦草对水中苯胺的吸附性能研究 4 6 麦草对水中苯胺的动态吸附的模型模型3 5 4 6 1b d s t 模型的模拟3 5 4 6 2b d s t 模型的预测一3 6 4 6 3t h o m a s 模型的模拟3 6 第5 章炭化麦草对水中苯胺的吸附性能研究3 8 5 1 炭化麦草对水中苯胺的表观吸附动力学3 8 5 2 炭化麦草对水中苯胺的静态吸附试验3 9 5 2 1p h 对炭化麦草吸附水中苯胺的影响3 9 5 2 2 苯胺初始浓度对炭化麦草吸附苯胺的影响4 0 5 2 3 温度对炭化麦草吸附水中苯胺的影响4 0 结论与展望一4 2 l 结论4 2 1 1 麦草对水中苯胺静态吸附的结论4 2 1 2 麦草静态吸附水中苯胺的吸附机制结论4 2 1 3 麦草对水中苯胺动态吸附的结论4 3 1 4 炭化麦草对水中苯胺静态吸附的结论4 3 2 展望4 3 参考文献一4 4 致 射5 0 附录a ( 攻读学位期间所发表的学术论文目录) 5 1 v i 硕十学位论文 摘要 为了实现农作物秸秆资源化，同时解决废水中苯胺等有毒有机污染物的问 题，本论文采用麦草作为吸附剂对去除水中苯胺的性能进行了研究。 首先，通过静态吸附法考察了苯胺初始浓度、初始p h 值、固液比以及温度等 各种单一因素的变化对麦草吸附水中苯胺的影响。并研究了麦草吸附苯胺的吸附 平衡、热力学以及动力学特征。采用l a n g m u i r 和f r e u n d l i c h 等温线对平衡数据进行 了非线性拟合，并计算了吸附过程的自由能变( 4g ) 、等量吸附焓变( 4 日) 和 熵变( a s ) 等热力学参数，同时采用拟一级动力学和拟二级动力学模型对动力学 数据进行分析，并采用内扩散方程探讨了吸附机制。 其次，通过动态吸附法对苯胺初始浓度、流速、初始p h 值和吸附床高度对穿 透曲线的影响进行了探讨，采用b d s t 模型和t h o m a s 模型对动态实验数据进行了 线性拟合分析，研究了麦草对水中苯胺的动态吸附性能。 最后，对原状麦草进行了炭化处理，考察了不同炭化温度下的麦草吸附苯胺 的表观动力学、苯胺初始p h 值、初始浓度以及不同炭化温度对炭化麦草吸附苯胺 的影响，并采用l a n g m u i r 和f r e u n d l i c h 等温线对平衡数据进行了线性拟合。 单因素吸附试验结果表明：吸附时间为1 5 m i n 时，麦草对苯胺的吸附量可达 0 4 m g 。g ：初始p h 值为4 时，麦草对苯胺的吸附量最大为0 6 6 m g 。g ；固液比为8 8 0 9 l 0 时，麦草对苯胺的去除率从2 3 急剧增加到6 9 5 7 。吸附量随着苯胺初始 浓度和温度升高而增大，但温度的影响不显著。吸附苯胺饱和的麦草，经0 9 m 盐 酸在6 0 时洗脱，解析率 9 0 ，且麦草对苯胺的二次吸附量明显增加。 静态吸附试验平衡数据更符合f r e u n d l i c h 模型，其极限吸附容量( 3 2 3 ) 为 6 0 m g g 。等量( 0 2 - 2 5 m g g 以) 吸附焓变厶e 为1 3 5 8 - 2 2 3 4 k j m o l ，z l g 0 。拟二级动力学模型对动力学数据拟合最好，平衡吸附量吼和初始吸附速率 ho随苯胺初始浓度的增大而增大。麦草吸附苯胺经历了快速表面富集、微孔内扩,2 散和吸附平衡三个阶段，麦草吸附苯胺初期，吸附速率由边界层扩散控制，吸附 后期则由微孔内扩散控制。 动态实验结果表明：麦草能够有效地去除水中的苯胺，随着吸附床高度增加， 穿透时间延长；而随着苯胺初始浓度、流速和p h 值的增大，穿透时间急剧缩短。 b d s t 模型能够准确地预测新的操作条件下的穿透时间，误差均 5 ；t h o m a s 模 型能够很好地描述麦草对苯胺的动态吸附动力学，由t h o m a s 模型获得的麦草吸 麦草对苯胺的去除率均在9 0 以上；不同炭化温度下的等温吸附曲线均符合 f r e u n d l i c h 等温吸附方程式，并随着炭化温度的升高，等温吸附性曲线的非线性 逐渐增加，从“软碳 逐渐过渡为“硬碳”。 关键词：麦草；苯胺；静态吸附；吸附机理；动态吸附；解吸 【 硕+ 学侮论文 a b s t r a c t t om a k ew h e a ts t r a wr e s i d u er e c y c l a b l ea n dr e m o v ea n i l i n ef r o mw a t e ra n d w a s t e w a t e r ，w h e a ts t r a ww a su s e dt oa d s o r ba n i l i n ei nw a t e ra sak i n do fa na d s o r b e n t f i r s to fa l l ，i t s a d s o r p t i o nc a p a c i t yf o ra n i l i n ew a ss y s t e m a t i c a l l ye x a m i n e d t h r o u g hb a t c he x p e r i m e n t s ；t h ee q u i l i b r i u m ，t h e r m o d y n a m i c sa n dk i n e t i cs t u d i e so n t h ea d s o r p t i o no fa n i l i n eb yw h e a ts t r a ww e r ee v a l u a t e d ，t h ei s o t h e r mp a r a m e t e r sw e r e e s t i m a t e db yn o n l i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i s s e c o n d l y ，t h ea d s o r p t i o no fa n i l i n eo n t ow h e a ts t r a ww a si n v e s t i g a t e du s i n g f i x e d - b e da d s o r p t i o n t h ee f f e c t so fi n l e ta n i l i n e c o n c e n t r a t i o n ，f e e df l o wr a t e ， s o l u t i o np ha n dw h e a ts t r a wb e dh e i g h to nt h eb r e a k t h r o u g hc h a r a c t e r i s t i c so ft h e a d s o r p t i o ns y s t e mw e r ed e t e r m i n e d ；a tt h es a m et i m e ，t h eb d s ta n dt h o m a sm o d e l s w e r ea p p l i e dt os i m u l a t ef i x e d b e da d s o r p t i o nd a t aa n dt og a i nt h ec h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r so ft h et w om o d e l su s i n gl i n e a rr e g r e s s i o n f i n a l l y ，t h eo r i g i n a lw e a t s r a ww a sm a d ei n t oc a r b o n i z e dm a t e r i a l s t h e a d s o r p t i o nk i n e t i c s e so fa n i l i n ea d s o r p t e db yw h e a ts r a wo nd i f f e r e n tc a r b o n i z a t i o n t e m p e r a t u r e w e r ei n s p e c t e d ，a n dt h ee f f e c t so fi n i t i a l p ho fs o l u t i o n ，i n i t i a l c o n c e n t r a t i o no fs o l u t i o na n dd i f f e r e n tc a r b o n i z a t i o nt e m p e r a t u r eo nt h ea d s o r p t i o no f a n i l i n eb yw h e a ts t r a ww e r ee v a l u a t e d t h el a n g m u i ra n df r e u n d l i c hm o d e l sw e r e a p p l i e dt os i m u l a t ea d s o r p t i o nd a t at oe s t i m a t et h ei s o t h e r mp a r a m e t e r s t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a tw h e a ts t r a wc o u l da d s o r ba n i l i n e e f f e c t i v e l y t h ec a p a c i t yo fa d s o r p t i o no fa n i l i n eo nw h e a ts t r a wr e a c h e d0 4 r a g g 。1 w h e nt h ea d s o r p t i o nt i m ei s15m i na n dt h eb e s ta d s o r p t i o nc a p a c i t yw a s0 6 6m g g 1 w h e nt h ei n i t i a lp ho fa n i l i n ew a s4 0 t h er e m o v a lr a t e so fa n i l i n ei nw a t e rw a sf r o m 2 3 t o6 9 5 7 w h i l et h er a n g eo fs o l i d t o - l i p u i dr a t i oo na d s o r p t i o no fa n i l i n ew a s 8 8 0 9 l t h e i n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fa n i l i n ea n dt h e t e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g r e s u l t e dai m p r o v eo ft h ea d s o r p t i o nc a p a c i t y ，w h i l et h ee f f e c to ft e m p e r a t u r ew a sn o t r e m a r k a b l e w h e a ts t r a ws a t u r a t e dc a nb er e g e n e r a t e db yh c lo fo 9 mu n d e r6 0 c a n d t h es e c o n dc a p a c i t yo fa d s o r p t i o no fa n i l i n eo nw h e a ts t r a wi n c r e a s e ds h a r p l y t h ee q u i l i b r i u mp r o c e s sw a sd e s c r i b e dw e l lb yt h ef r e u n d l i c hi s o t h e r mm o d e l t h em a x i m u mw h e a ts t r a w a d s o r p t i o nc a p a c i t yw a sf o u n dt ob e6 0 m g g 。1a t 3 2 3 t h er e s u l t so ft h e r m o d y n a m i c ss h o w e dt h a tt h ei s o s t e r i ca d s o r p t i o ne n t h a l p y i 麦草对水中苯胺的吸附性能研究 c h a n g e0 h ) i si nt h er a n g eo f13 5 8 - 2 2 3 4k j m o l 以w h e nt h ei s o s t e r i ca d s o r p t i o n c a p a c i t yi si n c r e a s e df r o m0 2t o2 5 m g g q , a n dg i b b sf r e ee n e r g yc h a n g e0 g ) i s n e g a t i v ew h i l ee n t r o p yc h a n g e0 s ) i sp o s i t i v e t h ek i n e t i c so fa n i l i n ea d s o r p t i o no n w h e a ts t r a wf o l l o w e dt h e l a g e r g r e n sp s e u d o s e c o n d o r d e rm o d e lw e l la n dt h e o v e r a l lr a t eo fa n i l i n eu p t a k ew a sf o u n dt ob ec o n t r o l l e db yb o u n d a r y 1 a y e rd i f f u s i o n a tt h eb e g i n n i n go fa d s o r p t i o n ，w h i l ep o r ed i f f u s i o nc o n t r o l l e dt h eo v e r a l lr a t eo f a d s o r p t i o na tal a t e rs t a g e t h ea d s o r p t i o no fa n i l i n eo n t ow h e a ts t r a ww a si n v e s t i g a t e du s i n gf i x e d b e d a d s o r p t i o n t h ee f f e c t so fi n l e ta n i l i n ec o n c e n t r a t i o n ，f e e df l o wr a t e ，s o l u t i o np ha n d w h e a ts t r a wb e dh e i g h to nt h eb r e a k t h r o u g hc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea d s o r p t i o ns y s t e m w e r ed e t e r m i n e d a tt h es a m et i m e ，t h eb d s ta n dt h o m a sm o d e l sw e r ea p p l i e dt o s i m u l a t ef i x e d b e da d s o r p t i o nd a t aa n dt og a i nt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so ft h et w o m o d e l su s i n gl i n e a rr e g r e s s i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw h e a ts t r a wa sa na d s o r b e n tt o r e m o v ea n i l i n ef r o ma q u e o u ss o l u t i o ni se f f i c i e n t t h ef i l l e rh e i g h ti n c r e a s i n gr e s u l ti n ae x t e n s i o no f b r e a k t h r o u g ht i m e ，w h i l et h ei n c r e a s eo ft h ef l o wr a t e ，s o l u t i o np ha n d t h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fa n i l i n el e a das h a r pd e c r e a s eo fb r e a k t h r o u g ht i m e t h e b r e a k t h r o u g ht i m ea td i f f e r e n tf l o wr a t e sa n di n i t i a lc o n c e n t r a t i o n si sf o r e c a s t e d a c c u r a t e l yb yt h eb d s tm o d e l ( e r r o r 9 9 ，c o d 去除率 9 8 ，出水苯胺的质量浓度 4 0m g l ，c o d 出水的质量浓度 1 凡= l 0 见 1 r l = o 不利吸附( u n f a v o u r a b l e ) 线性吸附( l i n e a ra d s o r p t i o n ) 有利吸附( f a v o r a b l ea d s o r p t i o n ) 不可逆吸附( i r r e v e r s i b l ea d s o r p t i o n ) 2 6 1 3 静态吸附时吸附热力学分析 通过吸附热力学的研究可以了解吸附过程进行的程度和驱动力，也可以深入 分析各种因素对吸附影响的原因【3 1 1 。本实验用拟合较好的f r e u n d l i c h 吸附等温线 模型对等量吸附焓变( 厶日) 、自由能变化( z s g ) 以及熵变( a s ) 进行计算【3 4 1 。 等量吸附焓变4 日可以用v a n th o 舫程式( 2 6 ) 计算【2 3 】： i n ( 土) ：+ ( 一丝) ( 2 6 ) c 。 。 r t 式中，g 为苯胺平衡浓度( m g l 。1 ) ，4 日为等量吸附焓变( k j m o l 。) ，t 为试验温度( k ) ，k o 为v a n th o 亨程常数。 不同温度时的e 可根据一定吸附量( 0 2 m g g 一、0 6m g g 一、2 0m g g 一、2 5 m g g j ) 从f r e u n d l i c h 吸附等温线( 2 9 6 k 、3 0 3 k 、3 2 3 k ) 上查得。以i n ( 1 e ) 对 l 丁作图，若厶日与温度无关，则可通过斜率计算出来。 自由能的变化厶g 可以由g i b b s 吸附等温线衍生方程进行计算。在低溶质浓度 时得到的方程为【5 7 】： a g ：一r 丁f g 堕 ( 2 7 ) 麦草对水中苯胺的吸附性能研究 式中，厶g 为吸附自由能变化( k j m o l 。1 ) q 为吸附含量( m g 。g 1 ) ，x 为水溶 液中苯胺的量，m g 。 利用f r e u n d l i e h 吸附等温线模型可以计算出一个与吸附量无关的吸附自由能 变化，其表达式如式( 2 8 ) ： g = 一n r t( 2 8 ) 式中，咒为f r e u n d l i c h 吸附等温式中的幂。 吸附过程中的熵变厶s ( j - t o o l - 1 k j ) 可利用先前计算得到的厶日、a g ，由 g i b b s h e l m h o l t z 方程计算： a s ：a h - a g( 2 9 ) 2 6 1 4 静态吸附时吸附动力掌分析 吸附速率控制着吸附达到平衡的时间，是衡量吸附剂吸附吸附质的重要指标， 通过吸附动力学分析可了解麦草吸附苯胺的吸附速率 2 5 , 2 7 , 5 3 , 5 6 , 5 8 】。本试验采用拟 一级动力学模型、拟二级动力学模型对吸附动力学数据进行分析。 拟一级吸附动力学方程( t h ep s e u d o f i r s to r d e re q u a