（环境工程专业论文）小麦秸杆吸附剂的制备及其对溶液中铜离子的吸附性能研究.pdf

l i i iilul i i iii iii i i i i y 1 8 8 5 315 p r e p a r a t i o no ft h ea d s o r b e n tb yw h e a ts t r a wa n dt h es t u d yo f i t sa d s o r p t i o np r o p e r t i e so nc u 2 + i na q u e o u ss o l u t i o n b y p ul i ju n b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 08 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 rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e 1 n e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t esc h o o l o f l a n z h o uu 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 i s t a n c ep r o f e s s o rz h a n g j i y i j u n e ，2 011 兰州理工大学 学位论文原创性声明 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：蒲丽碧 日期：撕年6 月 弓日 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， 同意学校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。 本学位论文属于 l 、保密i - i ，在年解密后适用本授权书。 2 、和保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：蒲踊幕 e t 期：如1 f 年占月弓日 铷獬2 夕么夏醐哆引鹏日 小麦秸秆吸附剂的制备及其对溶液中铜离子的吸附性 目录 摘要 a b s t r a c t 第l 章绪论 1 1 农作物秸秆的化学组成 1 1 1 秸秆的一般化学成分 1 1 2 秸秆中的纤维素类物质的组成 1 2 秸秆主要组成成分的化学性质与作用 1 2 1 纤维素 1 2 2 半纤维素 1 2 3 木质素 1 2 4 其他组分 1 3 国内外农作物秸杆的综合利用现状 1 4 农作物秸秆的主要用途 1 4 1 农作物秸秆用作肥料6 1 4 2 农作物秸秆用作饲料6 1 4 3 农作物秸秆用作燃料6 1 4 4 农作物秸秆用作工副业生产原料7 1 5 铜污染来源与危害7 1 5 1 含铜废水来源与铜存在状态7 1 5 2 铜的危害7 1 6 重金属废水的处理方法8 1 6 1 化学沉淀法8 1 6 2 电解法8 1 6 3 吸附法9 1 6 4 膜分离技术9 1 6 5 离子交换处理法9 1 6 6 溶剂萃取分离1 0 1 6 7 生物处理技术1o 1 7 本课题研究背景1 0 1 8 本课题研究内容11 第2 章材料与方法1 2 2 1 实验材料1 2 2 2 实验仪器和药品1 2 2 2 1 主要仪器12 2 2 2 主要药品1 2 2 3 铜的分光光度法测定12 2 3 1 测定方法1 2 2 3 2 实验原理1 3 2 3 3 主要实验试剂13 2 4 标准曲线的绘制1 4 2 5 数据分析1 4 第3 章小麦秸秆对溶液中铜离子的静态吸附研究17 3 1 前言1 7 3 2 实验部分17 3 2 1 材料17 3 2 2 原状吸附剂的s e m 与i r 表征17 3 2 3 投加量与溶液p h 对原状吸附剂静态吸附c u 2 + 的影响18 3 2 4 吸附动力学试验18 3 2 5 吸附等温线试验18 3 2 6 吸附剂的再生试验1 8 3 3 结果与分析1 8 3 3 1 小麦秸秆的投加量对吸附的影响18 3 3 2 溶液p h 对吸附的影响1 9 3 3 3 吸附动力学试验2 0 3 3 4 吸附等温线2 2 3 3 5 吸附剂的再生2 3 3 4 结论2 4 第4 章小麦秸秆对铜离子动态吸附与解吸特性的研究2 5 4 1 前言2 5 4 2 实验部分2 5 4 2 1 材料2 5 4 2 2 数据分析2 5 4 2 3 动态吸附试验2 5 4 2 4 动态解吸试验2 5 4 2 5 再生吸附试验2 5 4 3 结果与分析2 6 4 3 1 流速对动态吸附的影响2 6 4 3 2 溶液初始质量浓度对动态吸附的影响2 7 小麦秸秆吸附剂的制各及其对溶液中铜离子的吸附性能研究 4 3 3 溶液p h 值对动态吸附的影响2 8 4 3 4 动态吸附过程中流出液p h 值和电导率的变化2 9 4 3 5 动态解吸曲线的测定3 0 4 3 6 再生前后吸附结果对比31 4 4 结论31 第5 章秸秆生物碳质吸附剂的制备及其吸附性能研究33 5 1 前言3 3 5 2 实验部分3 3 5 2 1 生物碳质吸附剂的制备3 3 5 2 2 生物碳质吸附剂一般性质的测定3 3 5 2 3 生物碳质吸附剂的吸附性能测定3 4 5 3 结果与分析3 4 5 3 1 生物碳质吸附剂的产率3 4 5 3 2 生物碳质吸附剂的颜色3 4 5 3 3 生物碳质吸附剂的p h 3 5 5 3 4 生物碳质吸附剂的s e m 3 5 5 3 5 生物碳质吸附剂的吸附性能36 5 4 讨论与结论3 8 结论4 0 参考文献4 1 1 1 2 t 谢4 5 附录a攻读学位期问所发表的学术论文目录4 6 i v 硕士学位论文 摘要 在综合国内外大量相关文献的基础上，本论文选用农作物秸秆中的 小麦秸秆为原料，对其进行物理改性，分别制备原状吸附剂和生物碳质 吸附剂，并通过对水溶液中铜离子吸附性能的研究，考察了两类吸附剂 的吸附性能。通过实验室静态与动态实验，检测了多种外源因素对c u 2 + 吸附效果的影响，并研究了两类吸附剂吸附该金属的吸附平衡和吸附动 力学，同时对吸附剂的再生技术进行了研究，为秸秆等生物质规模化应 用于废水治理提供科学依据。主要研究内容和结果如下： 利用原状小麦秸秆对溶液中铜离子进行静态吸附研究。采用平衡吸 附法研究了秸秆投加量、溶液p h 和反应时间对小麦秸秆吸附水溶液中 c u 2 + 的影响。结果表明，p h 显著影响小麦秸秆对c u 2 + 的吸附；其动力学 行为很好的符合l a g e r g r e n 准二级反应动力学模型，吸附等温线符合 l a n g m u i r 模型，在3 0 c 时秸秆对c u 2 + 的饱和吸附量q m 为2 4 6 m g g ；分 离因子r l 值在0 1 之间，为有利吸附；用0 2 m o l l 。1 的h c i 对吸附饱和 的秸秆解吸效果良好，解吸率 9 0 ，且再生后秸秆的吸附效果与新鲜秸 秆差不多。 利用原状小麦秸秆对溶液中铜离子进行动态吸附研究。通过动态吸 附试验、动态解吸试验和再生后吸附试验方法研究了小麦秸秆对铜离子 的动态吸附与解吸特性。结果表明，溶液流速、c u 2 + 的初始浓度、p h 等 因素对动态吸附有很大的影响。增大流速，穿透体积减小，穿透时间提 前，秸秆的平衡吸附量降低，秸秆对c u 2 + 的去除率下降；在同一流速下， 增大c u 2 + 溶液初始浓度，秸秆的平衡吸附量增大，秸秆对c u 2 + 的去除率 下降；增大溶液p h ，秸秆的平衡吸附量和对c u 2 + 的去除率均增大。理想 条件：流速为4 39 5 m l m i n 、c u 2 + 的初始浓度为4 3 2 m g l 一、p h 为5 o ， 秸秆对c u 2 十的动态吸附量为1 5 4 m g g 一。用0 5 m o l l 以的h c l 溶液能有 效地洗脱小麦秸秆表面吸附的c u 2 + 。 以小麦秸秆为生物质材料，通过中低温区间限氧升温熔融碳化方法 制备生物碳质吸附剂，并以铜离子为例，研究吸附剂对废水中重金属的 吸附性能。结果表明：在中低温区间制备的吸附剂产率高、能耗小、吸 附速率快、达到平衡时间短，最慢的( p 2 0 0 ) 需要3 h 达到吸附平衡，最 快的( p 5 0 0 ) 仅需0 5 h 就达到吸附平衡。3 0 时吸附剂p 5 0 0 对铜离子的 饱和吸附量为11 19 m g g 。吸附动力学过程符合l a g e r g r e n 准二级反应 硕士学位论文 a bs t r a c t b a s e do nl o t so ft h er e l a t e dl i t e r a t u r e s ，as e r i e so fa n i o n i cs o r b e n t s w e r ep r e p a r e db yw h e a ts t r a wf r o ma g r i c u l t u r er e s i d u e s i nt h i sw o r kt h e w h e a ts t r a ww a su s e da sb i o m a s st op r e p a r et h eo r i g i n a la d s o r b e n ta n dt h e b i o c h a ra d s o r b e n t r e s p e c t i v e l yb y m e a n so f p h y s i c a l m o d i f i c a t i o n a c c o r d i n gt ot h es t a t i c a n dd y n a m i c a d s o r p t i o ne x p e r i m e n t ，v a r i e t yo f f a c t o r st oa d s o r p t i o ne f f e c tw e r ei n v e s t i g a t e d i na d d i t i o n ，t h ea d s o r p t i o n b a l a n c ea n dt h ea d s o r p t i o nk i n e t i c sw e r es t u d i e d s y s t e m a t i c a l l y f u r t h e r m o r e ，w eh a da l s or e s e a r c h e do nt h er e g e n e r a t i o no fa d s o r b e n t i tw i l l p r o v i d es o m e s c i e n t i f i cb a s i sf o rs t r a wb i o m a s ss c a l e a p p l i c a t i o n o n t r e a t m e n to fw a s t e w a t e r t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ef o l l o w i n g ： t h es t a t i ca d s o r p t i o no fc u 2 + f r o ms o l u t i o nb yw h e a ts t r a wh a v eb e e n s t u d i e d b a t c ha d s o r p t i o ne x p e r i m e n tw e r ec a r r i e do u t b yc o n s i d e r i n g v a r i o u sd o s a g eo fa d s o r b e n t ，p ho ft h es o l u t i o na n di n t e r a c t i o nt i m e t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h e a d s o r p t i o nw a ss t r o n g l yd e p e n d e n to np ho ft h e m e d i u m t h ek i n e t i c so ft h ei n t e r a c t i o n ss h o w e db e t t e ra g r e e m e n tw i t ht h e l a g e r g r e ns e c o n do r d e rk i n e t i c s ，a n dt h ea d s o r p t i o nd a t as h o w e dag o o d f i t t i n gw i t hl a n g m u i ri s o t h e r m t h em a x i m u ma d s o r p t i o nc a p a c i t yw a s2 4 6 m g 。g i t ss e p a r a t i o nf a c t o r s ( r l ) a r ei nr a n g eo f0 - 1w h i c hs h o w i n ga f a v o r a b l ea d s o r p t i o n 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 io f 0 2 mu n d e r30 ，a n dt h er e g e n e r a t i o no f t h ea d s o r b e n ts h o w e daf a v o r a b l e a d s o r p t i o nw h i c hi ss i m i l a rw i t hf r e s hw h e a ts t r a w t h ed y n a m i ca d s o r p t i o no fc u z 十f r o ms o l u t i o nb yw h e a ts t r a wh a v e b c c ns t u d i e d i nt h i sp a r t ，w er e s e a r c h e do na d s o r p t i o na n dd e s o r p t i o no f c u 什w i t hw h e a ts t r a wt h r o u g hd y n a m i ca d s o r p t i o ne x p e r i m e n t s ，d y n a m i c d e s o r p t i o ne x p e r i m e n t sa n dr e g e n e r a t i o ne x p e r i m e n t s t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h ei n f l u e n c e so fi n f l u e n tf l o wr a t ea n di n f l u e n tm e t a lc o n c e n t r a t i o nf o r t h er e m o v a lo fc u 2 + f r o ma q u e o u ss o l u t i o n so nw h e a ts t r a wc o l u m nw e r e s i g n i f i c a n t l y d e t e r m i n e d i fi n c r e a s e dt h ef l o wr a t e ，t h e b r e a k t h r o u g h v o l u m ew i l lb ed e c r e a s e da n dt h eb r e a k t h r o u g ht i m ew i l lb ei n c r e a s e d t h e e q u i l i b r i u ma d s o r p t i o nw i l lb cd e c r e a s e dw h i l et h er e m o v a lr a t eo fc u 2 + w i l l b ei n c r e a s e d i nac e r t a i nf l o wr a t e ，w h e nt h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e d ， t h ee q u i l i b r i u ma d s o r p t i o no fw h e a ts t r a wf o rc u 2 + w i l lb ei n c r e a s e dw h i l e m 小麦秸秆吸附剂的制各及其对溶液中铜离子的吸附性能研究 t h er e m o v a lr a t eo fc u 2 + w i l lb ed e c r e a s e d i fi n c r e a s e dp ho fs o l u t i o n ，t h e e q u i l i b r i u ma d s o r p t i o na n dt h er e m o v a lr a t eo fc u “w i l lb ei n c r e a s e d t h e i d e a lc o n d i t i o n so fa d s o r p t i o nw e r e ：q = 4 3 9 5 o r a l r a i n ， c u 2 + 】- 4 3 2 m g l ， p h = 5 0 t h ee q u i l i b r i u ma d s o r p t i o nc a p a c i t yo fw h e a ts t r a ww a s1 5 4 m g g 1 u n d e rt h ei d e a lc o n d i t i o n s t h ea d s o r b e dc u 2 + c o u l db ee a s i l yd e s o r b e d f r o mw h e a ts t r a ww i t hao 5 m 0 1 l h c l i nt h i sw o r kt h ew h e a ts t r a ww a su s e da sb i o m a s st op r e p a r et h eb i o c h a r a d s o r b e n tb ym e a n so fc a r b o n i z a t i o na tl o wa n dm i d d l et e m p e r a t u r e s w e t o o kc u z + a sa ne x a m p l et oi n v e s t i g a t et h ea d s o r p t i o no fh e a v ym e t a lf r o m w a s t e w a t e rb yt h eb i o c h a ra d s o r b e n t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eb i o c h a r a d s o r b e n to b t a i n e da tl o wa n dm i d d l e t e m p e r a t u r e s e x h i b i t e d h i g h e r p r o d u c t i v i t y ，l e s se n e r g yc o n s u m p t i o n ，h i g h e ra d s o r p t i o ns p e e da n dl e s s t i m et or e a c ha d s o r p t i o ne q u i l i b r i u mt h a nt h a to b t a i n e da th i g ht e m p e r a t u r e s i tt o o kt h el o n g e s tt i m e ( 3h ) f o rt h ea d s o r b e n t ( p 2 0 0 ) t oa c h i e v ea d s o r p t i o n e q u i l i b r i u m ， w h i l ef o rt h ea d s o r b e n t ( p 50 0 ) i tt o o kt h es h o r t e s tt i m e ( o n l y o 5h ) t h em a x i m u ma d s o r p t i o nc a p a c i t yo fp 5 0 0c o u l dr e a c h11 19m g 。g 1 a t3o t h ea d s o r p t i o nk i n e t i cp r o c e s sw a sc o n s i s t e n tw i t ht h el a g e r g r e n p s e u d o - s e c o n do r d e rk i n e t i cm o d e l ；t h ea d s o r p t i o ni s o t h e r ma g r e e dw e l l w i t ht h el a n g m u i rf o r m u l a e ；t h es e p a r a t i o nf a c t o r ( r l ) w a si nt h er a n g eo f 0 n 1 ，w h i c hf a v o r e da d s o r p t i o n t h es e mr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep o r e d e f o r m a t i o na n dt h er o u g h n e s so ft h es t r a wi n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gt h e c a r b o n i z a t i o nt e m p e r a t u r e k e y w o r d ss t r a w ：b i o c h a ra d s o r b e n t ：c o p p e r ：s t a t i ca d s o r p t i o n ：d y n a m i c a d s o r p t i o n ：k i n e t i c s i v 硕士学位论文 第1 章绪论 在水污染控制领域，各发达国家随着对常规污染治理任务的完成和 水环境质量的改善，将目标转向重金属的控制。重金属种类繁多，其具 有的致癌、致畸、致突变性为不断发现的事实所证实，因而人们普遍认 为其所具有的健康风险和环境重要性远远高于常规污染物。国际上重金 属的关注程度也越来越高。随着我国对常规污染物和重金属的治理不断 加强，未来不断加强对重金属的控制将是必然趋势。 近年来国际上重金属的环境效应及其控制技术成为研究的重点。重 金属大多具有易富集、难降解的特点，常规废水生化处理工艺不能对其 完全去除。活性炭是目前去除重金属效果最好和工艺条件简单、容易实 现的方法之一，但当用于工业废水处理时，活性炭仍然存在着用量大， 因而成本高的缺陷。寻求更为廉价和吸附效率更高的吸附剂，研究其制 备原料和工艺条件是主要的发展趋势之一。 天然纤维素类生物质材料具有产量大、可再生、可降解、环境友好、 价格低廉等诸多优点【l 2 】。秸秆属于纤维素类生物质，同时秸秆是一种重 要的可再生生物质资源【3 】，近年来对其开发利用越来越受到广泛关注。 中国是农业大国，也是秸秆资源最为丰富的国家之一，但是丰富的秸秆 资源在我国的利用率却很低，大部分秸秆被作为废弃物焚烧掉或是仅仅 当作燃料，不仅造成了自然资源的浪费，而且造成环境的严重污染，这 就急需一种更为有效的秸秆处理方法。本研究以小麦秸秆为纤维素类生 物质实验材料，制备原状和生物碳质吸附剂，为制备经济高效吸附剂和 秸秆的资源化利用提供依据，以废水中c u 2 + 为去除目标，通过试验弄清 秸秆吸附剂对废水中重金属的吸附效果，使秸秆吸附剂在去除废水中的 重金属方面得到广泛的应用，为环境保护和保障人体健康发挥重要作用。 1 1 农作物秸秆的化学组成 1 1 1 秸秆的一般化学成分 农作物秸秆是由大量的有机物和少量的无机物及水所组成的，其有 机物的主要成分是纤维素类的碳水化合物【4 】，此外还有少量的粗蛋白质 和粗脂肪。碳水化合物又由纤维素类物质和可溶性糖类组成。纤维素类 物质是植物细胞壁的主要成分，它包括纤维素、半纤维素和木质素等。 小麦秸秆吸附剂的制备及其对溶液中铜离子的吸附性能研究 在常规分析中，纤维素类物质用粗纤维表示；可溶性糖类用无氮浸出物 表示，泛指不包括粗纤维的碳水化合物，一般不再进行化学分析测定， 而是根据秸秆中其他养分的含量进行计算得出，即：无氮浸出物含量 - - 10 0 一( 水+ 粗蛋白+ 粗脂肪+ 粗纤维+ 粗灰分) 。秸秆中 的无机盐用粗灰分来表示，由硅酸盐和其他少量微量元素组成，含量大 约为6 ，但稻草中的硅酸盐含量较高达到12 以上。农作物成熟以后， 其秸秆中的维生素差不多全被破坏，因此秸秆中很少含有维生素。 1 1 2 秸秆中的纤维素类物质的组成 作物秸秆中由许多植物细胞组成，所有的秸秆细胞可以分为细胞内 容物和细胞壁两部分。秸秆用中性洗涤剂消化( 煮沸一小时) ，细胞内容 物溶于中性洗涤剂中，不溶的就是细胞壁。细胞壁是纤维素多聚物。经 中性洗涤剂消化而得的纤维叫中性洗涤纤维。随后将中性洗涤纤维用酸 性洗涤剂消化，能溶于酸的叫酸性洗涤可溶物，不溶的物质叫酸性洗涤 纤维。能溶于酸的物质大部分是半纤维素和细胞壁含氮物质。不溶于酸 的酸性洗涤纤维，又分为纯纤维素和酸性洗涤木质素，木质素经灼烧成 灰分，灰分是由各种无机盐组成的。由此可知，中性洗涤纤维主要包括 纤维素，半纤维素，木质素，二氧化硅，角质蛋白，蜡质和木质化含氮 物等，一般说来，蜡质和木质化含氮物很微量，可以不计。 1 2 秸秆主要组成成分的化学性质与作用 1 2 1 纤维素 纤维素是植物中最丰富的物质，又是细胞壁的主要结构成分【5 1 ，在 作物秸秆中的含量达4 0 一5 0 。纤维素是由许多d 吡喃式葡萄糖通过 1 4 苷键连接形成的线型高聚物。分子式( c 6 h l 0 0 5 ) n ，n 为聚合度，表示 纤维素分子链中所连接的葡萄糖酐的数目，天然纤维素的平均聚合度通 常很高。不论来源于何种植物，纤维素都具有同样的化学结构( 见图1 1 ) 。 纤维素分子链【6 】沿着链长方向彼此近似平行地排列着，借分子间的醇羟 基形成强有力的氢键系统聚集成微纤维。排列整齐紧密的部分为纤维素 的结晶区；排列不整齐、较松散的部分为纤维素的无定形区。 纤维素的性质不仅取决于它的分子结构，而且取决于它的超分子结 构。其化学性质取决于纤维素分子中的甙键和葡萄糖基上的三个羟基， 表现出多元醇的性质【7 】：( 1 ) 水解作用。纤维素在酸的作用下发生水解， 最初得到水解纤维素，最后得到葡萄糖( 属已醛糖) ，经发酵可制得酒 精。( 2 ) 酯化作用。当纤维素分子上羟基中的氢为酸根所取代即生成酯 2 硕士学位论文 所以纤维素可与各种无机酸、有机酸或羧酸衍生物作用，生成各种酯类。 ( 3 ) 乙酰化作用。( 4 ) 热解作用等。 图1 1 纤维素的分子链结构式 f i g1 1 t h em o l e c u l a rc h a i ns t r u c t u r e do fc e l l u l o s e 1 2 2 半纤维素 半纤维素是细胞壁中具有支键和侧链且分子量较低的非纤维素也非 果胶类物质的复合聚糖，是由两种或两种以上的糖基所组成分子量较小 的高分子化合物，其结构型为支链型，常带有各种短侧链，仅含有15 0 2 0 0 个半纤维素糖基。组成半纤维素的结构单元( 糖基) 主要有：d 葡萄糖 基、d 甘露糖基、d 半乳糖基、d 木糖基、l 阿拉伯糖基以及少量的l 鼠李糖基、d 葡萄糖醛酸基、4 o 甲基d 葡萄糖醛酸基和d 半乳糖醛酸 基等( 见图1 2 ) 。这些结构单元在构成半纤维素时，一般不是由一种结 构单元构成一种均一的聚糖，而是由2 4 种结构单元构成的不均一聚糖。 半纤维素的化学性质与纤维素有些相同。半纤维素( h e m i c e l l u l o s e ) 与纤 维素( c e l l u l o s e ) 共属于多聚糖，都是甙键连接，可以进行酯化( 乙酰化) ho h d 一木糖 h hh d 一甘露糖 h ho h d 一葡萄糖 h h o hho hho h d 一半乳糖l 一阿拉伯糖4 0 一甲基一d 一葡萄糖 图1 2 半纤维素的结构单元 f i g1 2t h es t r u c t u r eu n i to fh e m i c e l l u l o s e 小麦秸秆吸附剂的制备及其对溶液中铜离子的吸附性能研究 或醚化；在适当条件下可以水解；在碱性条件下降解；均含游离羟基， 具有亲水性。 1 2 3 木质素 木质素是一种复杂的、非晶型的、三维网状酚类高分子聚合物，它 广泛存在于高等植物细胞中，与纤维素、半纤维素等一起构成超分子体 系，以增强植物的机械强度。在自然界中，木质素是仅次于纤维素的第 二大可再生资源，据估测，全球每年可产生约6 10 1 4 吨【8 1 。通过木质素 结构模型发现，木质素基本上都是由以苯基丙烷为结构单元，通过醚键 碳键彼此联接成具有三度空间结构的高聚物。由于木质素本身在结构上 具有庞大性和复杂性，在化学性质上具有的不稳定性等，至今只能得到 一些木质素的模型【9 1 ，结构单元见图1 3 。木质素的结构单元上联有各种 功能集团，如苯环上的甲氧基、反应性能活泼的羟基和羧基等。木质素 结构中的羟基主要是酚羟基和醇羟基，这些羟基可以以游离的羟基存在， 也可以以醚的形式和其他烷基、芳基连接。羟基的存在使木质素有很强 的分子内和分子间的氢键。甲氧基一般是连接在苯环上，它是木质素最 有特征的功能基。这些功能集团的存在使木质素有很强的反应活性。另 外，各结构单元问不同性质的连接键和单元上不同性质的功能基的存在， 既使木质素具有一定的化学活性又使木质素大分子中各部位的化学反应 性能呈现出不均一性。 lil - - c m- - c m c _ iii c 一c 一c lii c c c ( a ) c h 3c h o i ( b ) c h 3 o l ( c ) 图1 3 木质素结构单元示意图 f i g1 3t h es t r u c t u r eu n i to fl i g n i n 1 2 4 其他组分 粗蛋白作物秸秆中的粗蛋白质含量很低，且变化很大，据报道：稻 草、麦秸、和玉米秆的粗蛋白平均含量分别为：5 1 、4 4 、9 3 ，变 4 硕士学位论文 化范围分别为：3 4 。5 9 、3 8 5 0 、8 8 9 8 。燕麦麦秸平均为2 4 ， 高梁秸为3 4 。 低分子碳水化合物禾本科作物秸秆中含有少量的低分子碳水化合 物，不同种类的作物含量不同。如冬小麦秸秆中的果糖、葡萄糖、蔗糖、 阿拉伯糖和甘露糖的含量分别为：2 6 ，1 2 ，0 4 ，1 5 和1 3 克千克干物 质；春小麦秸秆则分别为：2 5 ，1 8 ，4 4 ，2 1 和1 8 克千克干物质；大 麦秸秆为：1 9 ，2 1 ，o 8 ，1 2 和1 4 克千克干物质；这些低分子碳水化 合物的消化率均很高，几乎为10 0 。 无机盐秸秆中无机盐含量都很低，而且明显缺乏钻、铜、硫、钠、 硒、和碘等元素。 总之麦草秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，它们的结构 单元上含有大量反应性能活泼的羟基和羧基等各种功能集团，这些功能 集团的存在使纤维素、半纤维素和木质素具有很强的反应活性。 1 3 国内外农作物秸杆的综合利用现状 农作物秸秆通常指小麦、水稻、玉米、薯类、油料、棉花、甘蔗和 其他农作物在收获籽实后剩余的部分。秸秆富含有机质和氮、磷、钾、 钙、镁、硫等多种养分，是一种具有多种用途的天然可再生生物资源。 农业产生的秸秆量相当惊人，1 公斤稻米可产生1 5 公斤稻草；l 公斤小麦 可产生1 5 公斤麦秸；1 公斤玉米可产生4 公斤玉米秸秆。 据统计【10 1 ，全世界每年秸秆纤维产量约为4 0 10 8t 。据联合国粮农 组织统计，全世界作物秸秆纤维有6 6 直接还田或作为生活能源而被烧 掉，19 做房屋建筑材料或蔬菜生产覆盖材料等，12 作为草食家畜的饲 料，另有3 左右作为手工艺业的原料。真正形成工业化规模生产的秸 秆纤维资源化利用技术项目不多。在我国约有7 0 的秸秆纤维作为生活 能源的燃料后还田，或就地燃烧还田，或直接翻入土层中还田，2 0 左 右作为家畜的饲料，另有1o 左右作为造纸工业、建筑业及手工业的原 料。在全国不少地区，大量的秸秆纤维没有得到充分利用，多数在田( 地) 间付之一炬。这种处理方法，不但浪费资源，而且造成了严重的环境污 染。 利用可再生性资源( 包括秸秆纤维资源) 是当前环境绿色高技术的 重要内容，保护环境的一个长远的发展方向，具有深远与现实的重要意 义。秸秆纤维是地球上巨大的再生性生物高分子资源。秸秆纤维资源化 利用，开发环境友好的绿色产品，已形成环境绿色高技术研究与开发中 的热点领域。 小麦秸秆吸附剂的制备及其对溶液中铜离子的吸附性能研究 1 4 农作物秸秆的主要用途 1 4 1 农作物秸秆用作肥料 农作物秸秆中含有大量的有机质、氮、磷、钾和微量元素等，是农 业生产重要的有机肥源之一。农作物秸秆可以直接还田或者生产成秸秆 生物肥料后还田，可以提高土壤有机质含量，使土壤的容重减少，透水 性、透气性和蓄水保墒能力增加，并可使土壤的团粒结构发生变化，保 持疏松状态，有效缓解土壤易板结的问题。秸秆通过综合利用作为肥料 施入农田，是补充和平衡土壤养分、改良土壤的有效方法，对于促进土 地生产良性循环、提高耕地基础地力和农业的可持续发展具有重要意义。 1 4 2 农作物秸秆用作饲料 农作物秸秆也是牲畜的主要饲料之一。农作物秸秆可以直接用作食 草动物的饲料，但适口性较差，采食量少。秸秆氨化【l l 】处理后，粗蛋白 由3 4 提高到8 左右，有机物的消化率提高10 2 0 个百分点，并含有 多种氨基酸，可以代替3 0 4 0 的精饲料。因此，氨化秸秆喂羊、牛等， 效果很好。秸秆也可以粉碎成草糠，作动物辅助饲料。草料青贮【1 2 】：草 料青贮是指将收割好的新鲜牧草、玉米秸秆、稻草、地瓜藤、芦苇、甘 蔗尾叶等各种青绿植物经打捆裹包密封保存并在厌氧发酵后形成的优质 草料。英国首先开发研制了密封保存制作青贮饲料的裹包系统，并获得 专利，并逐步在世界发达国家应用【l3 1 。采用此系统将草捆裹包好后，可 形成厌氧状态，草料自行发酵产生乳酸，乳酸达到一定量时，可杀灭致 使草料腐败的细菌，从而可抑制草料的腐烂变质。这样不仅可以保持新 鲜草料的营养成份，同时可以提高粗蛋白质含量，降低粗纤维，促使消 化率明显提高，而且适口性好，并可以在野外不同气候条件下长期保存 1 2 年。在春、夏、秋季收割的多种新鲜牧草、玉米秸秆、稻草、地瓜藤、 甘蔗尾叶、芦苇等，用此法制成草捆青贮，可以供牲畜冬、春季节食用， 特别是牧区牛羊过冬、抗灾保畜的优质理想饲料。 1 4 3 农作物秸秆用作燃料 农作物秸秆中的碳使秸秆具有燃料价值，我国农村长期使用农作物 秸秆做生活燃料就是该价值的利用。目前对秸秆这一特点的科学利用， 主要体现在农村能源建设上，即将秸秆转化为燃气。秸秆转化为燃气的 方法有两种【1 4 】：一是秸秆气化，二是秸秆厌氧发酵产出沼气。以秸秆气 化为重点的农村可再生能源建设，可以缓解农村地区洁净能源供应短缺 的情况，改变农村传统的生火做饭的模式，满足农民对高品位能源的需 6 硕士学位论文 求，提高农民生活质量，适应现代化新农村的发展需求，同时能够消耗 掉大量的农用秸秆，是一种可实现秸秆规模化处理的方式。 1 4 4 农作物秸秆用作工副业生产原料 农作物秸秆的组成成分决定了它还是一种工业制品的原料。主要用 于造纸，约占总量的2 3 。经辗磨处理后的秸秆纤维与树脂混合物在金属 模中加压成型处理，可制成各种各样的低密度纤维板材 15 , 1 6 。再在其表 面加压和化学处理，可用于制作装饰板材和一次成型家具，具有强度高、 耐腐蚀、防火阻燃、美观大方及价格低廉等特点。除此之外，秸秆的工 业化利用还有其他多种途径，例如植物地膜、餐饮具、包装材料、轻体 隔墙板、酒精 1 7 1 9 1 、淀粉、糠醛 2