有机改性硅藻土对染料废水中典型染料的吸附研究

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印染、皮革、造纸、食品加工等行业产生的染料废水是一种难生物降解的废水类型,印染废水种类繁多,其中染料含有芳香环、偶氮键等难降解有机物,能够直接对人类造成“三致”的后果。即使直接毒性较小,其进入人体后分解的中间产物也会对人体造成间接的毒害作用。目前市场上使用的吸附剂大多为活性炭,但是活性炭价格昂贵,再生费用高,因此导致它的应用受到限制。硅藻土虽然资源丰富,但是硅藻土原土吸附染料效果较差,需要通过有效的改性手段提高吸附效率。目前,大多数利用硅藻土吸附染料的方法局限于简单的改性和提纯,对于表面负载高分子有机物的研究工作较少,因此对后续实验条件的优化、吸附效果、再生性能等理论研究有待于进一步完善。  本研究利用壳聚糖(DE@C)、聚乙烯亚胺(PEI@MD)和水热碳化技术(HTC@MD)的改性方法对硅藻土进行改性,分别用于吸附阴、阳离子染料,通过静态和动态实验对吸附研究进行了详细的阐述,并深入研究了等温吸附模型、动力学模型、热力学参数及动态吸附模型和机理。实验选取的阴离子染料属于偶氮类:日落黄(SY)、胭脂红(CM)、柠檬黄(LY),阳离子染料为三苯甲烷类:结晶紫(CV)、孔雀石绿(MG)。  通过有效的分析手段对3种改性硅藻土进行表征。傅里叶红外光谱分析表明氨基(-NH2)是改性硅藻土吸附阴离子染料的主要功能基团;通过热重分析仪对改性硅藻土的热稳定性进行表征;通过颗粒强度测定仪测定改性硅藻土的颗粒强度,考察其是否能够长期使用;比表面积的测定说明改性后的硅藻土仍具有较大的比表面积;X射线衍射和X荧光光谱用于测定硅藻土中的化学组成及杂质类型。  通过对单一体系的染料进行吸附,利用pH、投加量、接触时间和温度作为影响因素对改性硅藻土的吸附过程进行研究,DE@C和PEI@MD吸附阴离子染料的最佳pH为2,HTC@MD吸附CV、MG的最佳pH分别为11、7;DE@C和PEI@MD吸附阴离子染料能分别在10℃和5℃温度下达到最佳效果,低温吸附剂用于染料的吸附是本研究的一项重要成果,HTC@MD吸附阳离子染料的最佳温度为20℃;3种改性硅藻土都能够在接触时间为30-50min内完成对染料的吸附。单一体系中,通过响应面回归实验对影响因素进行优化,利用响应面三维图、方差分析等方法进一步阐述因素交互的作用,确定各个因素对吸附过程的重要程度;研究了改性硅藻土对染料吸附的等温吸附模型、动力学模型、热力学参数,结果表明,3种改性硅藻土均符合langmuir模型,符合准二级动力学模型。DE@C和PEI@MD吸附阴离子是一个自发的放热过程,而HTC@MD吸附阳离子染料是一个自发的吸热过程。  通过研究DE@C和PEI@MD对混合阴离子染料吸附,研究了4种因素对吸附过程的影响,发现了在混合阴离子染料中最佳条件与单一染料体系相同,但是通过吸附等温模型分析发现改性吸附剂对混合染料中(SY+CM+LY=1∶1∶1)单个染料的最大饱和吸附量(qm)较单一染料的qm有所降低,主要原因是混合染料中存在竞争吸附,DE@C和PEI@MD对LY染料的吸附能力较差;整个吸附过程混合吸附是一个自发的放热过程,符合langmuir吸附等温模型、准二级动力学模型。  为了更接近实际工程应用,本研究通过固定床工艺实现了改性硅藻土对染料的动态吸附。分别从固定床高度(Z)、染料的初始浓度(C0)、溶液的流速(v)三个方面进行研究,当高度的降低、初始浓度的升高、溶液流速加快的时候都会减少改性硅藻土到达穿透点和饱和点的时间,主要原因是接触时间的减少会削弱吸附效率;通过Thomas、BDST、Yoon-Nelson动态吸附模型能够计算出动态吸附的最大饱和吸附量、预测流速和浓度达到穿透点和饱和点的时间、预测染料出水达到50%进水浓度的时间。通过再生性实验发现NaOH和乙醇分别能够对阴、阳离子染料进行较好的解吸,通过与硅藻土原土比较,DE@C、PEI@MD、HTC@MD吸附染料的效果显著,去除率分别提高了82%、86%、44%;与已报道的其他吸附剂的吸附量对比,HTC@MD、PEI@MD得到的最大饱和吸附量具有显著的优势。
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