角蛋白基吸附劑的制備、表征及吸附性能研究.pdf

1、我國是制革和養(yǎng)殖行業(yè)大國，每年會有大量的廢棄牛羊皮、毛、皮革等固體廢棄物的產(chǎn)生，但這些角蛋白廢棄物的未得到有效的處理和合理的利用，造成了大量的固體廢棄物污染。角蛋白材料是一種優(yōu)良的天然材料。本研究以這些角蛋白廢棄物為原料，制備出角蛋白基生物吸附劑和角蛋白基活性炭這兩種吸附劑，應(yīng)用于重金屬和染料的廢水處理過程中，具有非常重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本研究較詳細(xì)的闡述了角蛋白基生物吸附劑和角蛋白基活性炭的制備、表征及應(yīng)用研究，主要包含以下幾個

2、方面:
　　1.以廢羊皮(SH)為原料，對其進(jìn)行不同的處理:(1)高壓蒸汽處理(SHS);(2)對SH和尿素同時(shí)蒸汽處理(SHUS);(3)先蒸汽處理，然后與尿素混合蒸汽處理(SHSU)。這三種吸附劑經(jīng)過掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)、傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)、X-射線光電子能譜(XPS)進(jìn)行分析比較。通過三種吸附劑對Pb(Ⅱ)的吸附實(shí)驗(yàn)來對比吸附劑的吸附性能。結(jié)果表明SHS經(jīng)過尿素改性后，吸附量增加了，吸附

3、平衡時(shí)間大約為450 min，吸附量受pH值的影響比較大，最佳pH值為5.5。SHSU對Pb(Ⅱ)的最大吸附量是32.36 mg/g。吸附量隨著溫度的升高而降低，說明該吸附是個放熱過程。三種吸附劑的吸附過程均符合偽二級動力學(xué)模型和Langmuir吸附等溫線，說明該吸附為單分子層吸附。Dubinin-Radushkevich(D-R)等溫模型說明化學(xué)吸附是該吸附劑的主要控制過程。吸附機(jī)理主要受離子交換、表面螯合、電荷吸引的影響。吸附熱力學(xué)

4、研究說明該過程是個自發(fā)過程。負(fù)值的ΔG和ΔH表明三種吸附劑對Pb(Ⅱ)的吸附是一個自發(fā)的放熱的過程。
　　2.以廢棄羊皮為原料，硅酸鉀為活化劑制備活性炭。通過對廢棄羊皮這種角蛋白廢棄物活性炭(SHAC)的工藝優(yōu)化，考察了活化溫度和浸漬比對活性炭比表面積和孔徑分布的影響。隨著活化溫度的升高，SBET先升高再降低，浸漬比對SBET的影響也有同樣的趨勢。當(dāng)最佳溫度為700℃，浸漬比為2∶1的條件下時(shí)，活性炭的比表面積可高達(dá)2046.12

5、 m2/g。經(jīng)過K2SiO3活化以后，N、S、O元素含量減少，C元素的含量增加，同時(shí)少量的Si出現(xiàn)在SHAC中。在常溫下，SHAC對亞甲基藍(lán)的最大吸附量可達(dá)769.23 mg/g，其吸附符合Langmuir等溫模型，是單分子層吸附。當(dāng)前工作說明K2SiO3是活性炭制備中有效的活化劑，可以促進(jìn)微孔和介孔的生成。
　　3.以廢棄牛皮為原材料，通過高壓蒸汽改性原料，硅酸鉀為活化劑制得角蛋白活性炭和改性活性炭，通過SEM、FTIR等表征其

6、表面特性，探索接觸時(shí)間、溫度、pH值等對Ni(Ⅱ)吸附的影響。結(jié)果表明，原材料和改性材料所制備的活性炭比表面積可達(dá)1804和1361m2/g。而在同樣的條件下，兩者的平衡時(shí)間分別為100、350min，平衡吸附量分別為35、62 mg/g。溶液pH值對Ni(Ⅱ)吸附的影響較大。當(dāng)pH值為6.5左右時(shí)，其吸附量達(dá)到最大。隨著Ni(Ⅱ)濃度的增大，溫度對吸附率的影響較大。偽二級動力學(xué)比偽一級動力學(xué)模型能較好的描述活性炭對Ni(Ⅱ)的吸附動力

7、學(xué)行為。Langmuir等溫方程比Freundlich等溫方程更好的擬合Ni(Ⅱ)在角蛋白基活性炭上的吸附，說明吸附為單分子層吸附。吸附熱力學(xué)參數(shù)說明該吸附過程是一個自發(fā)(△G＜0)放熱（△H＜0）的過程。
　　4.選用傳統(tǒng)加熱方法:以廢棄皮革為原料，物理活化（水蒸汽）和化學(xué)活化（焦磷酸）方法制備活性炭，采用N2吸附/脫附試驗(yàn)，探討不同的制備條件（活化溫度、活化時(shí)間、浸漬比）對活性炭比表面積和孔徑分布的影響，篩選出最佳制備條件。選

8、擇最優(yōu)條件下制備的活性炭進(jìn)行SEM、FTIR表征的對比，并對亞甲基藍(lán)進(jìn)行吸附。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，H4P2O7活化制備的活性炭(LWAC-H4P2O7)比表面積較低，其SBET隨著浸漬比的升高先升高再降低，微孔比表面積也呈現(xiàn)相同的趨勢。通過N2吸/脫附曲線可得制備出的活性炭含有微-介孔結(jié)構(gòu)。通過Bohem滴定法得出，AC-H4P2O7含有的官能團(tuán)含量多于AC-steam。由于AC-H4P2O7表面官能團(tuán)的存在，其對亞甲基藍(lán)的吸附比AC-ste

9、am對亞甲基藍(lán)的吸附量高25％。相對于Freundlich和Dubinin-Radushkevich(D-R)模型，兩種活性炭對亞甲基藍(lán)的吸附符合Langmuir等溫模型，說明了吸附是均一的并且是單分子層吸附。吸附機(jī)理是通過氫鍵、離子交換、π-π電子供體受體作用。負(fù)值的△G和正值的△H說明該吸附過程是自發(fā)進(jìn)行的，并且是個吸熱過程。
　　選用微波加熱方法時(shí):通過單因素實(shí)驗(yàn)，探討輻射功率和輻射時(shí)間對活性炭比表面積和產(chǎn)率的影響。活性炭的

10、產(chǎn)率隨著功率的增加，由16％升高到36％再降低到33.5％，活性炭的BET比表面積有類似的趨勢。在活化功率為700W，輻射時(shí)間為15 min時(shí)，可以達(dá)到最高的比表面積(638 m2/g)，這比前面?zhèn)鹘y(tǒng)加熱方法制備的活性炭比表面積要高。隨著輻射時(shí)間的延長，活性炭的比表面積和產(chǎn)率先大體呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢。選取輻射功率為700 W，輻射時(shí)間為15 min條件制備活性炭，其比表面積為638 m2/g。通過元素分析可知，活化后C元素含量增加，

11、N、H元素含量降低，活性炭對亞甲基藍(lán)的吸附量可達(dá)303.03 mg/g。
　　5.對于牛毛和水竹材料，浸漬條件分別為:先室溫浸漬12h，然后105℃浸漬30 min;另一部分只是在室溫下浸漬12h，考察了活化溫度、浸漬比和加熱預(yù)處理的影響。當(dāng)活化溫度為700℃，浸漬比為2∶1時(shí)，牛毛和水竹制備的活性炭比表面積和孔體積分別為1965m2/g，1.345 cm3/g和1710m2/g，0.949 cm3/g。水竹炭(CAAC)的比表面

12、積和孔體積隨著浸漬比(1∶1-3∶1)的升高而升高。活化前的加熱預(yù)處理對牛毛炭(CWAC)孔徑結(jié)構(gòu)具有顯著的影響，但對于CAAC的比表面積沒有太大的影響。CWAC的孔徑大小均勻而CAAC的孔徑大小不一。與CAAC相比，CWAC有高含量的含氧官能團(tuán)。K2SiO3的活化作用會引入一些新的官能團(tuán)，含氮官能團(tuán)和含硅官能團(tuán)。所有的活性炭都是無晶型結(jié)構(gòu)。
　　本研究利用不同的角蛋白廢棄物制備出角蛋白基生物吸附劑和活性炭這兩種吸附劑，應(yīng)用于重金