基本信息
- 项目名称：
- 磁性纤维素/Fe3O4/活性炭复合材料吸附刚果红性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 采用NaOH/硫脲/尿素混合水体系低温溶解的绿色工艺制备纤维素溶液。用混合铁盐共沉淀法制备磁性纳米Fe3O4粒子。将Fe3O4和活性炭同步修饰到纤维素表面，制备纤维素/ Fe3O4/活性炭磁性复合吸附剂，运用XRD、SEM、TGA等技术手段对其进行全面表征。将刚果红溶液作为目标污染物，评估了吸附剂投加量、废水浓度、温度等因素对吸附剂吸附染料性能的影响，并对吸附动力学、热力学及吸附机理进行探讨。
- 详细介绍：
- 印染废水具有无机盐含量高、色度大、成分复杂、化学稳定性高、可生化性差、脱色困难等特点，一般难以直接生化处理。同时会对环境造成不可弥补的破坏，危害水生生物生存及人类的健康。吸附被认为是最彻底和有效的染料废水处理方法之一，而吸附剂是决定吸附处理的关键。天然生物吸附材料(如壳聚糖、纤维素等)因具有价廉易得、可再生和安全无毒等特点，成为处理印染废水的研究热点之一。 纤维素是世界上分布最广，含量最丰富的一类天然高聚糖化合物，主要存在于棉花、亚麻、木材等农副产品中,具有价格低廉、环境友好、可再生等优点。作为一种低成本的天然高分子吸附剂，纤维素吸附剂具有生物可降解性及良好的生物相容性，已被广泛用于去除废水中的染料及重金属；其分子内存在大量的羟基，能有效吸附阳离子，提高处理有机废水的能力。然而，尽管国内外对纤维素基吸附剂材料有较多的研究，但仍然存在较多难题，有待进一步的突破，例如，现有天然纤维素吸附剂制备难、处理后的纤维素吸附剂回收难等等。纤维素属于直链化合物，其分子长链间通过氢键连接，故不溶于水、稀酸、稀碱及一般有机溶剂。传统纤维素溶解工艺通常反应缓慢且条件严苛、成本高昂、污染严重，极大的限制了纤维素吸附剂的发展。近年来，“绿色化”综合利用纤维素已经引起了政府及研究人员的广泛关注。但常见的“绿色化”纤维素溶剂仅限于实验室研究，未能在大规模生产中使用。故将纤维素基吸附剂广泛运用于实际中就需要对“绿色化”纤维素溶剂进行优化改进，这也是纤维素吸附剂制备研究的一大热点。通过低温溶解技术，纤维素能快速溶解于NaOH/硫脲/尿素混合体系中，该体系对纤维素的溶解能力强、溶剂无毒、环境友好、价格便宜。通过在材料中引入磁性物质Fe3O4纳米粒子，可以对新型纤维素基吸附剂进行简单方便的磁回收，有效的解决生物复合材料回收难的问题。另外，可以在纤维素吸附剂的基础上引入无机吸附材料(活性炭)，从而有效提高吸附剂对有机污染物的吸附容量。 本项目采用纤维素低温速溶、纳米生物复合材料技术、磁分离等技术，成功制备出磁性纤维素/ Fe3O4/活性炭复合吸附剂，运用XRD、SEM、TGA等技术手段对其进行全面表征。将刚果红溶液作为目标污染物，评估了磁性生物吸附剂投加量、印染废水的初始浓度、反应温度等因素对磁性复合吸附剂吸附染料性能的影响，并对吸附动力学、热力学及吸附机理进行探讨。该新型磁性吸附剂具有成本低、来源广、无污染、易回收等优点，有望在含有机染料、酚类、重金属废水处理中得到应用。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 利用低温速溶、混合铁盐共沉淀法、纳米生物复合材料技术等，制备纤维素/ Fe3O4/活性炭磁性复合吸附剂；运用XRD、SEM等对其进行表征；并用于处理刚果红溶液，评估吸附剂投加量、废水浓度、温度等对吸附性能的影响，并对动力学、热力学及机理进行探讨。该吸附剂具有成本低、来源广、无污染、易回收等优点。本项目的开展可推动综合利用纤维素 “绿色化”进程，同时在控制印染废水污染方面有明显的社会意义和经济价值。
科学性、先进性及独特之处
- （1）纤维素低温溶解技术克服了传统工艺并推动综合利用纤维素 “绿色化”进程； （2）NaOH/硫脲/尿素混合体系对纤维素的溶解能力强、溶剂无毒、环境友好、价格便宜。 （3）将Fe3O4、活性炭引入材料，克服了吸附剂回收难的问题，并提高吸附容量。 （4）磁性纤维素/ Fe3O4/活性炭复合材料吸附刚果红性能研究尚未见报道。 故本项目在控制印染废水污染方面有明显的社会意义和经济价值。
应用价值和现实意义
- 本项目结合浙江地方产业实际和环境现状，研究和开发新型、高效、经济、易回收的环境友好水处理吸附剂，并将研究成果初步运用到印染废水的处理中。该项目研究成果工业化应用后，可有效地解决众多工业企业的水污染问题，为城市服务，为社会服务，可改善城市市容，提高卫生水平，保护人们身体健康。因此，本项目的开展可推动综合利用纤维素的“绿色化”进程，同时在控制印染废水方面有明显的社会意义和经济价值。
学术论文摘要
- 采用NaOH/硫脲/尿素混合水溶液低温溶解的绿色工艺快速溶解纤维素，并以纤维素、Fe3O4、活性炭为原料，制得磁性纤维素/Fe3O4/活性炭复合吸附剂,运用XRD、SEM、TGA等技术手段对其进行全面的表征。将刚果红溶液作为目标污染物，考察了吸附剂投加量、溶液初始浓度等对吸附效果的影响，并对吸附动力学、热力学进行初步探讨。结果表明增大溶液初始浓度能有效提高吸附量；去除率随着吸附剂投加量的增加而提高。磁性纤维素/Fe3O4/活性炭复合吸附剂对刚果红偶氮染料的吸附等温线符合Freundlich模型，吸附过程符合拟二级动力学方程，内扩散为主要控速步骤。吸附是熵推动的自发放热过程，低温有利于反应的进行。
获奖情况
- 本作品为浙江省新苗人才计划项目的阶段性研究成果，现已被北大中文核心期刊《安徽农业科学》正式接收。
鉴定结果
- 实验表明增大浓度能有效提高吸附量；去除率随投加量的增加而提高。吸附等温线符合Freundlich模型，吸附过程符合拟二级动力学方程，内扩散为主要控速步骤。吸附是熵推动的自发放热过程，低温有利反应进行。
参考文献
- 现有技术 (1)纤维素的低温溶解技术：采用预冷处理NaOH/硫脲/尿素混合水溶液快速溶解纤维素,制得透明的纤维素溶液。 (2)混合铁盐溶液共沉淀法：制备磁性纳米Fe3O4离子。 (3)纳米生物复合材料技术 (4)磁分离技术 (5)XRD、SEM、TGA等现代表征手段 技术文献检索目录 [1]金华进,顾利霞. 一种溶解纤维素的溶剂及其制备方法和用途: 中国,200510027217 [P]. 2005-11-23. [2]张俐娜,周金平,蔡 杰,等. 二步凝固浴法制备新型再生纤维素的方法,200510018799 [P]. 2005-11-30.
同类课题研究水平概述
- 合成偶氮染料含有复杂的苯环结构，有热、光稳定性好等特性，使得印染废水较难直接进行生化处理。主要处理法为活性炭吸附。由于其耗量大，成本及再生费用高等，寻求成本低、吸附效果好的天然吸附剂已成为研究热点。 纤维素是地球上最丰富的可再生天然资源，具有比表面积大、成本低、吸附速率快等优点，因此世界各国都十分重视对纤维素吸附剂的研究与开发。但纤维素具有高度结晶度，不溶于普通溶剂。至今纤维素溶解仍以粘胶法为主，该方法过程复杂，工艺难以控制，能耗大，污染严重，限制了纤维素吸附剂在生产生活中的广泛应用。当今社会科学与技术已经趋向可再生的原料及环境友好、可持续发展的方法和进程，“绿色化”纤维素溶剂应运而生，但由于原料贵、回收难、存在副反应等仅限于实验室研究。故将纤维素吸附剂广泛运用到实际中就需要对“绿色化”纤维素溶解进行改进。金华进等人发明了溶解能力更强、使用范围更广、溶解无毒、环境友好、价格便宜的NaOH/硫脲/尿素混合水体系，即本项目所采用的低温溶解技术。 传统纤维素吸附剂经吸附处理后均很难有效快速地从水体中分离再生。近年来，磁分离技术已经被应用到水处理行业中。Fe3O4和-Fe2O3具有良好的磁性、化学稳定性以及生物相容性而被广泛的运用于磁性吸附剂的制备中。Wang Y等人利用沉淀生成法制得壳聚糖磁性微球，并对其吸附牛血清蛋白的吸附性能进行了研究。 除难分离回收外，天然纤维素吸附剂的选择吸附能力并不是很强。为弥补纤维素单独作为吸附剂的不足，近年来国内外主要侧重于纤维素二元复合材料的改性研究。彭望明以甲壳素与脱脂棉为原料制备甲壳素-纤维素复合吸附剂，研究了吸附时间、吸附温度、吸附剂投加量等因素对吸附效果的影响。此外，国内外也进行了相应的大量研究。但是二元复合材料，例如磁性纤维素吸附剂克服了很难有效快速分离再生的缺点，却无法改善选择吸附能力不强。因此，国内外的研究重点正在逐步转向三元复合吸附剂。Lou等制备了含活性炭的磁性珠状纤维素吸附剂，并用于去除水中有机染料。由于三元复合吸附剂大大改善了纤维素吸附剂的吸附能力，具有广阔应用前景。 采用低温溶解技术将纤维素预溶解，再通过微乳化法将活性炭和Fe3O4同步修饰纤维素上，制得磁性纤维素吸附剂的研究国内尚未见报道。故本项目的开展不仅可推动综合利用纤维素的“绿色化”进程，同时在控制印染废水污染方面具有明显的社会意义和经济价值。
