碱性染料在凹凸棒土/海藻酸钠复合吸附剂上的吸附行为开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文献综述

1.前言

随着经济的快速发展，印染业及其制品已经应用于国民经济的多个领域和人们的日常生活中，随着需求的不断增加，印染产业排放的废水对水体的污染也在加剧。常规的方法难以对印染废水进行处理，并且给环境带来了严重污染，因此，印染废水已成为我国水域的重点污染源之一。

2.印染废水的危害及处理方法

2.1来源及危害

印染废水是指在加工麻、棉和化学纤维为主的印染工序中所排放出的混合类废水。印染工艺主要分染色、印花和染整等过程，印染废水主要来源于染整工段，污染物以印染和化学试剂为主，属于高色度复杂类有机废水。印染废水具有色度深、组分复杂、生物毒性大、染料抗光解、生物降解、抗氧化性强等特点。由于印染废水结构上的有色基团的存在，造成水体可见度很差，水体可溶性溶解氧少和透光性能差，严重影响水体生物的生长和繁衍。与此同时，印染废水中高浓度的人工合成有机物，对人体具有致癌致突变等危害[1]。

2.2常见的处理方法

废水中的印染、无机盐、助剂等成分，其中主要以染料的污染最为严重，要处理印染废水首先要解决脱色问题。常用的脱色处理方法有氧化还原法、化学沉淀法、电解法、浓缩法、电渗析法、生物法以及吸附法等[2]。

2.2.1吸附法

吸附法作为一种脱色方法在处理印染废水领域得到了许多应用。随着技术的发展，吸附法因具有操作简单、投资费用低、对多种染料都有较好的去除效果等优点，被广泛的应用于印染废水的处理中[3]。

吸附法是依靠吸附剂密集的孔结构、各种活性基团与吸附质形成各种化学键以及庞大的比表面积，达到有选择性地吸附有机物的目的[4]。这由于这种优势的存在使吸附法被广泛用于处理生物难以降解的有机物中。

2.2.2氧化还原脱色法

借助氧化还原作用破坏染料的共轭体系或发色基团是印染脱色处理的有效方法。除常规的氯氧化法外，国内外研究重点主要集中在臭氧氧化、过氧化氢氧化、电解氧化和光氧化方面。

臭氧是良好的脱色氧化剂，对于含水溶性染料废水如活性、直接、阳离子和酸性等染料，其脱色率很高；对分散染料也有较好脱色效果；但对其他以悬浮状态存在于废水中的还原、硫化和涂料，脱色效果较差。臭氧氧化也可以与其他处理技术结合应用。如用FeSO4、F2(SO4)3、及FeCl3，凝聚后再用臭氧处理可提高脱色处理；臭氧一电解处理可使直接、酸性染料的脱色率比单纯臭氧处理增加25％～40％，对碱性及活性染料增加10％。臭氧加紫外辐射或同时进行电离辐射也可提高氧化效率。由于臭氧氧化对染料品种适应性广、脱色效率高，同时O3在废水中的还原产物以及过剩O3，能迅速在溶液和空气中分解为O2，不会对环境造成二次污染。因此O3脱色技术具有一定的工业化应用前景。

2.2.3天然高分子及其改性絮凝脱色法

天然有机高分子絮凝剂由于原料来源广泛．价格低廉，无毒，易于生物降解等特点显示了良好的应用前景。用于印染废水处理的天然高分子絮凝剂主要有天然淀粉及其衍生物、木质素衍生物、甲壳素衍生物等三大类。

废水处理中大部分微细颗粒和胶体都带有负电荷，为了提高淀粉和木质素分子对这些小分子物质的作用能力，进行阳离子改性是一个重要研究方向。阳离子离子化淀粉和木质素可以用于处理阳离子染料、直接染料和酸性染料废水，脱色率均超过90％。

3.凹凸棒土/海藻酸钠复合吸附剂

3.1凹凸棒石粘土

凹凸棒石粘土是以凹凸棒石为主要组分的一种粘土矿，除含凹凸棒石之外，还含有蒙脱石、高岭石、水母石、海泡石、石英等矿物。凹凸棒石又名坡缕石，其理想结构式为，是一种层链状结构的含水富镁硅酸盐粘土矿物（图3.2），具有独特的层链状结构、不同寻常的胶体性能和强大的吸附能力[5]。凹凸棒石具有较大的比表面积与离子交换容量、热稳定性、脱色性，而且价格低廉，从而被广泛应用于化工、轻工、建材、铸造、原子能工业、环保及制药等领域天然矿物凹凸棒土作为吸附剂的吸附法在印染废水的处理上用途十分广泛，但是由于凹凸棒土大多是粉体，而粉体材料吸附剂在实际应用中的最大问题在于多数粉体吸附材料颗粒细小，遇水后容易分散，造成用凹凸棒土吸附处理废水中污染物之后固液分离十分困难，容易形成新的工业污泥，这种工业污泥对环境的二次污染更加严重，而且吸附剂不能重复使用，导致成本增加。而且，天然的凹凸棒石粘土杂质含量高，由于杂质的存在减弱了凹凸棒石原有的性能，比如其吸附性、胶体性和脱色性等,使用时有一定的局限性,无法达到良好的效果。为了提高凹凸棒石粘土的质量,满足工业要求,在使用前需对其进行预处理及改性等过程[6]。

我国江苏盱眙拥有丰富的凹凸棒土资源，开发新型的凹凸棒土吸附剂应用于印染废水的处理具有很重要的意义和价值，因此，如何改善凹凸棒土吸附工艺变得十分重要。

图3.2凹凸棒土结构示意图

3.2海藻酸钠的组成及性质

海藻酸钠又名褐藻胶、藻酸盐，是一类从褐藻类细胞壁中提取出来的天然多糖，它的本质是一种线性天然高分子。一般为白色或淡黄色不定形粉末，无臭、无味、易溶于水，不溶于酒精等有机溶剂[7]。

在不同的行业中海藻酸钠也具有着不同的作用：

印染业：海藻酸钠带有正电荷，与带阳电性的活性染料相互排斥，不会与活性染料发生共价结合，促使染料上浆，印出的纺织品，花纹鲜艳，线条轮廓清楚，渗透性和可塑性好，成品柔软富有弹性[8]。

医药行业：可以作为片剂的止血剂，赋形剂，粘结剂，牙模材料等[9]。

食品业：海藻酸钠在食品工业领域也被广泛使用。日本人誉为长寿食品添加剂，美国人称其为奇妙食品添加剂[10]。

其他工业：可以作为铸造的粘结剂，电焊条涂料，造纸工业表面施胶，污水处理[11]。

3.3凹凸棒土的改性

凹凸棒土其表面积可由外表面积、晶体通道和针状微粒杂乱堆积形成的孔隙所组成。通过表面改性研究后发现，在其表面上共存在着三种活性中心，分别是构成单元晶胞的硅氧四面体双链上的氧离子、与通道边缘的镁离子配合的水分子以及硅氧链上的基团，但是他们的活性各不相同，所以为了适应不同的需求，采用不同的方式达到改善性能的目的，方法有：提纯，增加表比面积，改变组成形态，调整孔径，改变表面性质和结构等。

3.3.1酸化改性

机理:凹凸棒土经酸浸泡后，内部八面体与四面体结构部分溶解，未溶解的八面体结构起到支撑作用，使孔数目增加，比表面积增大。与此同时，凹凸棒土孔道中常含有碳酸盐等杂质，通过酸化处理一方面可除去分布于凹凸棒土孔道中的杂质，让孔道疏通，另一方面，由于凹凸棒土的阳离子可交换性，半径较小的能置换出凹凸棒石层间部分、等离子，增大孔容积。多种因素使改性后的凹凸棒土脱色性、吸附性等多种性能得到提高。一般来说，利用酸改性，凹凸棒土的比表面积会随着酸含量的增加、改性时间的延长而增大。可是，如果酸浓度太大，凹凸棒土中八面体阳离子完全溶解，四面体结构失去支撑引起结构塌陷，会引起比表面积下降[12]。凹凸棒土改性是为了满足不同的生产需求,应考虑实际成本等问题。根据不同的要求确定酸含量和改性时间,以期达到最大经济效益。

方法：凹凸棒土的酸化改性一般步骤是将的凹凸土用无机酸浸泡、水洗直至中性、干燥后研磨过筛得到产品。可用一种酸进行改性，也可采用多种酸混合使用，较常用的酸有硫酸、硝酸和盐酸等。由于硫酸价格较低，常被工业生产选用。王红艳等分别用盐酸、硝酸和硫酸对凹凸棒土进行过改性处理。由于凹凸棒中八面体出现不均匀溶解以及局部四面体硅的溶蚀等现象，凹凸棒土比表面积增加，孔道开放和直径扩大，对重金属离子的吸附能力增加[1314]。实验证明,用4mol/L的硫酸、3mol/L的盐酸和4mol/L的硝酸改性后的凹凸棒土吸附重金属离子的能力最佳，水溶液中重金属离子去除率接近100％。

3.3.2热活化

凹凸棒土晶体结构属2∶1型粘土矿物，硅氧四面体夹1层镁铝氧八面体，属层链状结构，四面体条带间形成的与链平行的通道被水分子填充，在加热时能脱除晶体结构中不同状态的水，内部结构变得疏松多孔，从而增加比表面积，增强吸附力。天然凹凸棒土的比表面积约为140210经高温焙烧后,比表面积显著增加，甚至达到300以上。

在一定温度范围内，凹凸棒土的比表面积随着焙烧温度的增高而增加。当温度升高到一定程度，比如焙烧超过600℃时，比表面积就会出现下降趋势，这是因为温度过高，凹凸棒土失去部分结构水或羟基脱出引起孔洞塌陷、针状纤维束紧密烧结在一起，比表面积和孔隙容积减小，致使吸附能力减弱[15]。一般凹凸棒土活化温度不宜超过500℃，选择300℃左右为宜，活化时间不应超过3h。

3.4混合吸附剂制备

3.4.1包埋法

包埋法是近年来发展迅速的一种新兴细胞固定化技术具有对细胞活性影响较小，操作简单，效率高等优点，是目前细胞固定化研究和应用最广泛的方法之一[1617]。常用的包埋载体有琼脂、明胶、海藻酸钠(SA)、聚乙烯醇(PVA)和丙烯酰胺(ACRM)[18]。不同的的载体包埋做出的吸附剂的性能也大不相同，如表1所示：

表1.各种载体的性能比较

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

3.4.1海藻酸钠包埋法

取6g海藻酸钠加入水中，在一定温度下加热搅拌使其充分溶解，取poat50g，加入已充分溶解的海藻酸钠溶液中，搅拌2h确保其充分混合，利用蠕动泵在一定转速下将改性土和海藻酸钠混合溶液滴入配置好的浓度为3%的cacl2溶液中，形成凝胶球，静置12h确保其充分交联，再放入真空干燥箱中干燥，得到凹凸棒土包埋颗粒。

smidr[19]和韩丽君[20]等研究了不同来源的海藻酸钠作为细胞固定化载体的性质，发现海藻酸钠的粘度与其分子量有关，分子量越大，海藻酸钠的粘度越大，所对应形成的胶球的机械强度也越大。

4.吸附性能的研究

4.1吸附等温线

吸附等温曲线是指在一定温度下溶质分子在两相界面上进行的吸附过程达到平衡时它们在两相中浓度之间的关系曲线。在一定温度下，分离物质在液相和固相中的浓度关系可用吸附方程式来表示[21]。作为吸附现象方面的特性有吸附量、吸附强度、吸附状