碳包磁纳米四氧化三铁在亚甲基蓝吸附去除研究中的应用开题报告

 2022-01-27 03:01

1. 研究目的与意义、国内外研究现状(文献综述)

一、课题的意义

近年来,合成染料被广泛用于纺织、造纸、制药和食品等工业生产中。按我国目前染料生产总量估算,每年有数以万吨计的染料随废水直接进入水体环境中[1]。受染料废水污染的水体成分复杂,无机盐及有机物含量高,色度和化学需氧量(COD)高,毒性大等。这诸多特点严重到影响水生植物的光合作用,从而破坏整个水体生态系统平衡,进而威胁到水生动植物和人类的健康。因此,染料废水的有效治理对人类健康和环境保护方面都具有十分重要的意义。

二、研究概况

随着我国印染工业的快速发展,受染料污染的水体已成为威胁水环境安全的重要因素之一。对染料废水的处理也日益成为环境保护领域关注的热点。

目前国内外对染料废水的处理方式,按其作用类型,主要可分为物理法、化学法和生物法。而常用的物理法[2]主要包括吸附法[3]、混凝法[4]、膜分离法[5]等。在众多的物理方法中,吸附法应用最为广泛,且因其操作简单、方法廉价和效率高的优点,已经成为染料废水处理的主要方法之一。

对于吸附法来说,吸附材料的选择是决定吸附过程是否高效率的关键因素。如今科学家们一直在优化和改进材料方面做着不懈的努力。目前已报道的用于去除亚甲基蓝的吸附材料主要有天然矿物如凹凸棒石[6]和硅藻土[7];固体废弃物如粉煤灰[8]及剩余污泥[9];改性生物质如落叶[10]、桃核[11]以及丝光竹笋皮[12]等;含碳材料如活性炭[13]、碳纳米管[14]以及石墨烯[15]等;纳米复合材料如纳米陶瓷材料、纳米聚合物材料和纳米金属材料[16]等。其中,结合了纳米粒度和磁性两种特点的磁性纳米材料,因其拥有诸多优点,如:无毒无污染,环境友好;磁性强,易被磁铁吸附回收和重复使用;原材料方便易得,制备方法简单,重复性好;表面可被多种材料修饰,根据不同的实验目的进行功能化等,而备受研究者们的关注,在亚甲基蓝的吸附去除研究中取得了广泛的应用。

目前在亚甲基蓝吸附去除研究中应用较多的磁性纳米材料主要是在合成的纳米Fe3O4表面进行修饰,或是与其他材料进行复合,进而制备出各种改性的磁纳米材料。

周春姣[17]运用共沉淀法合成了用天然大分子有机物腐植酸修饰的Fe3O4纳米颗粒,对阳离子染料亚甲基蓝进行了吸附和循环利用实验。由于腐植酸分子链上分布着大量功能基团和自由基,为吸附提供了很多活性位点,结合磁性材料易分离的特点,在吸附和脱附方面都有着不凡的表现。

陈晓影[18]通过对磁性纳米粒子Fe3O4的表面进行修饰,合成了Fe3O4@SiO2磁性吸附剂,并对染料亚甲基蓝的吸附性能进行了探讨。最终通过热力学研究表明,吸附过程是自发的吸热反应,是不可逆的物理吸附反应。

而欧倩倩[19]以Fe3O4@SiO2为模板,通过简便的化学方法合成了磁球为核、硅酸镍为壳的Fe3O4@NiSiO3亚微球结构,进行了亚甲基蓝的吸附实验,并详细研究了溶液pH、反应时间、亚甲基蓝初始浓度对吸附的影响。并进行了吸附过程的动力学和等温吸附评价,从而得到了Fe3O4@NiSiO3吸附亚甲基蓝的机理,即既有表面物理吸附又有镍与亚甲基蓝的化学吸附。

王赛花[20]以多巴胺为媒介,通过绿色、简单的途径成功合成了磁性石墨烯复合材料。多巴胺通过自聚合作用可以直接吸附到Fe3O4表面。通过吸附实验可得出,合成的材料具有对亚甲基蓝具有较高的吸附去除能力,并且吸附剂可以再生多次重复利用。

三、应用前景

本课题提出采用溶剂热法制备碳包磁纳米四氧化三铁,并将其应用于亚甲基蓝的吸附去除研究。该材料兼具含碳材料对亚甲基蓝良好的吸附性能和纳米四氧化三铁易磁分离的特点,对于亚甲基蓝的吸附和之后实现快速固液分离都有着较好的效果。总的来说,良好的吸附材料一定会在吸附效率方面有显著的提高,这对于染料废水的处理来说无疑是值得期待的。相信将来对新型吸附材料方面的探索会有更多的发展。

四、参考文献

[1] 任南琪,周显娇,郭婉茜,等. 染料废水处理技术研究进展[J]. 化工学报,2013,64(1):84-94

[2] 姜佩. 染料废水处理技术研究[D]. 中国海洋大学,2012

[3] 孟范平,易怀昌. 各种吸附材料在印染废水处理中的应用[J]. 材料导报,2009,23(7):69-73

[4] 周静. 矿物粘土与絮凝剂联合处理印染废水[D]. 东华大学,2008

[5] Chema F, Mahmoud D, Treatment of textile plant effluent by ultrafiltration and/or nanofiltration for water reuse[J]. Desalination, 2008, 222: 263-271

[6] Zhang X L, Cheng L P, Wu X P, et al. Activated carbon coated palygorskite as adsorbent by activation and its adsorption for methylene blue[J]. Journal of Environmental Sciences, 2015, 33: 97-105

[7] 龚真萍. 氢氧化镁改性硅藻土对活性染料废水的吸附性能[J]. 黑龙江纺织,2014(3):1-4

[8] Lin J X, Zhan S L, Fang M H, et al. Adsorption of basic dye from aqueous solution onto fly ash[J]. Journal of Environmental Management, 2008, 87: 193-200

[9] 崔龙哲,吴桂萍,邓克俭. 质子化剩余污泥吸附染料的性能及机理[J]. 化工学报,2007,58(5):1290-1295

[10] 李萍,宫磊. 生物吸附剂落叶对印染废水的吸附处理研究[J]. 青岛科技大学学报(自然科学版),2012,33(1):62-67

[11] 刘侠,陈碧,白艳霞. 桃核直接作为生物吸附材料对水中亚甲基蓝的吸附研究[J]. 科学技术与工程,2015,15(12):118-122

[12] 蒋红梅,钟来进,卢爱民,等. 丝光改性竹笋皮对亚甲基蓝的吸附研究[J]. 南京农业大学学报,2014,37(4):163-169

[13] 张小璇,叶李艺,沙勇,等. 活性炭吸附法处理染料废水[J]. 厦门大学学报(自然科学版),2005,44(4):542-545

[14] 马杰,虞琳琳,金路,等. 改性碳纳米管原始样品吸附亚甲基蓝的性能研究[J]. 环境化学,2012,31(5):646-652

[15] 常青,江国栋,胡梦璇,等. 石墨烯基磁性复合材料吸附水中亚甲基蓝的研究[J]. 环境科学,2014,35(5):1804-1809

[16] 张文睿. 纤维素基纳米复合吸附剂对染料吸附/解吸性能研究[D]. 内蒙古农业大学,2014

[17] 周春姣. 表面修饰超顺磁Fe3O4纳米颗粒的合成及应用研究[D]. 湖南大学,2010

[18] 陈晓影. 磁性纳米粒子对染料废水的吸附性能研究[D]. 吉林大学,2014

[19] 欧倩倩. 磁性功能纳米材料的制备及其在环境污染物去除中的应用[D]. 兰州大学,2012

[20] 王赛花. 功能化磁性纳米碳材料在污染物去除和环境分析中的应用[D]. 东北师范大学,2014

2. 研究的基本内容和问题

(1) 研究目标

采用碳包磁纳米四氧化三铁作为吸附材料,研究其对亚甲基蓝的吸附行为,并作出合理的评价。

(2) 研究内容

1) 合成碳包磁纳米Fe3O4材料

2) 对材料进行结构表征

3) 设计实验,探索材料的吸附性能

(3) 拟解决的关键问题

1) 材料制备路线的确定

2) 适宜的吸附条件的确定

3. 研究的方法与方案

(1) 研究方法:

1) 查阅相关文献,设计实验并合成出碳包磁纳米Fe3O4材料。

2) 对材料进行表征

a) 利用SEM表征材料的表面形态。

b) IR光谱检测材料的特征基团。

c) 利用BET表征材料的比表面积和孔径大小。

3) 探索提高吸附效率的因素,包括pH值、初始浓度、超声时间、材料用量等。

(2) 技术路线、实验方案:

1) 材料制备流程

见附件

2) 吸附操作流程

见附件

3)实验方案流程图

见附件

(3) 可行性分析

1) 本实验所用的研究方法成熟可靠,各实验步骤均有可靠的理论依据。

2) 实验所需的药品大部分都是我们平时接触到的试剂。实验所需的器材基本都是实验室中能满足的,即使不能满足也能通过资源共享得到解决。

4. 研究创新点

(1) 运用溶剂热法制备的碳包裹四氧化三铁磁性纳米材料进行吸附,在材料的选择方面有一定的新颖性。

(2) 在提高吸附效率方面进行了多种条件的探索。

5. 研究计划与进展

(1) 2014年10月-2014年11月

阅读相关文献,对实验进行初步了解,撰写文献综述。

(2) 2014年11月-2014年12月

熟悉实验仪器操作及实验流程,摸索适宜的实验条件,初步设计实验方案。

(3) 2015年3月-2015年4月

按照设计方案进行相关实验,记录实验数据,并适当优化实验条件。

(4) 2015年4月-2015年5月

进行实验数据的后期处理,归纳总结,完成毕业论文。

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