改性花生壳吸附剂的制备及对Pb2+的吸附性能研究论文.docx
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改性花生壳吸附剂的制备及对Pb2+的吸附性能研究论文
本科生毕业论文
改性花生壳吸附剂的制备及对Pb2+的吸附性能研究
2013AnnualGraduationThesis（Project）oftheCollegeUndergraduate
PreparationofModifiedPeanutShellsAdsorbentandStudyontheAdsorptionPropertiesofPb2+
Department:
CollegeofScience
Major:
Chemistry
Grade:
20XX
Student’sName:
XXXXX
StudentNo.:
Tutor:
FinishedbyXX,201X
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
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本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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日期：
年月日
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涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
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日期：
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注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
摘要
纤维素对于重金属离子具有一定的吸附能力，花生壳中含有大量的纤维素，实验以此为根据，用NaOH对花生壳作预处理，CS2对其作改性处理，研究改性花生壳对Pb2+的吸附性能。
本实验主要通过控制改变重金属离子初始浓度，吸附温度，吸附时间，吸附剂的用量，pH等方面的影响因素，对比分析得出改性花生壳达到最佳吸附性能的条件和最佳吸附性能。
实验发现，在pH=7，60℃的条件下，加入0.8000g的改性花生壳吸附剂对50mL初始浓度为50mg/L的Pb2+溶液吸附90min时，效果最佳，达到最佳吸附条件时的平衡吸附率为97.13%，吸附容量为3.02mg/g。
关键词：
花生壳；改性；吸附；Pb2+
ABSTRACT
Cellulosehascertainadsorptioncapacitiesforheavymetalions,peanutshellcontainsalotofcellulose,theexperimentonthebasisofthis,thepretreatmentofpeanutshellbymeansofNaOH,CS2onthemodification,modificationofpeanutshelladsorptionpropertiesforPb2+.
Thisexperimentmainlycontrolledbyvaryingtheinitialconcentrationofheavymetalions,adsorptiontemperature,adsorptiontime,adsorbentdosage,theinfluencefactorsofthepH,themodifiedpeanutshelltoachievethebestadsorptionconditionandtheoptimaladsorptionperformancecomparisonandanalysis.
Experimentsshowthat,inthepH=7,60℃,thebesteffectofadding0.8000gmodifiedpeanutshelladsorbentfor50mLinitialconcentrationofPb2+solutionbyadsorptionon90min50mg/L,theequilibriumadsorptionefficiency,achievethebestadsorptionconditionwas97.13%,theadsorptioncapacityof3.02mg/g.
Keywords:
PeanutShell;Modified;Adsorption;Pb2+
目录
1前言1
1.1重金属的污染及铅的危害1
1.2重金属污染的常用治理方法1
1.3改性纤维素离子吸附剂的研究现状2
1.4纤维素吸附剂的制备方法3
1.5本实验的研究意义5
2实验部分7
2.1实验材料7
2.1.1试剂7
2.1.2主要仪器7
2.2改性花生壳离子吸附剂的制备8
2.2.1实验原理8
2.2.2实验路线8
2.2.3实验步骤9
2.2.4改性花生壳离子吸附剂对Pb2+的吸附实验10
3结果分析12
3.1改性花生壳离子吸附剂的制备条件的优化12
3.1.1浸泡时间12
3.1.2NaOH浓度12
3.1.3小结12
3.2改性花生壳离子吸附剂对Pb2+的吸附实验12
3.2.1重金属离子初始浓度对结果的影响12
3.2.2吸附温度对结果的影响13
3.2.3吸附时间对结果的影响14
3.2.4吸附剂用量对实验结果的影响15
3.2.5PH对实验结果的影响16
3.2.6小结16
4结论与展望18
参考文献19
致谢21
1前言
1.1重金属的污染及铅的危害
在众多重金属中，有不少是人体不可缺少的微量元素，但与此同时，在社会经济发展的今天，“三废”的任意排放也给人类带来了健康的危机。
目前，重金属离子污染的主要来源是来自于造纸、印刷、化工生产、农药等方面。
仅在2009年这一年的时间，中国环保部门就统计接报了12起的重金属污染事件，总计导致了4035人铅含量的超标，以及182人镉含量的超标。
在现如今，重金属的污染已经成为了世界级的问题，对其的治理和防护也随之成为一个热点问题。
而铅是人体所需微量元素中惟一的不需要，它是一种不能被微生物降解的稳定重金属污染物，而且在环境中可以长期积累。
据了解，接触到铅的人群，长期在体内积累的铅元素能够抑制血细胞的形成，从而致使人体智力的下降，工作成绩、学习情绪低落。
微量的铅元素还能通过流动的血液随之进入人的脑组织，进而破坏人的小脑和大脑皮层，扰乱细胞的代谢活动，让氧气及营养物质供应不足，从而引发人体大脑的小毛细血管的内皮层上细胞的肿胀，最终恶化为弥漫性的脑损伤。
铅元素的中毒对于儿童的危害更加的厉害，儿童的体质对与铅元素的吸收较之成年人相比要高出好几倍的含量。
当儿童血液中铅含量达到60ug/mL时，就会引发智力的障碍。
1.2重金属污染的常用治理方法
处理重金属离子污染常见的方法有：
液膜法、膜分离技术、离子交换法、化学沉淀法、电解法、吸附法[1]。
其中液膜法、膜分离技术、离子交换法等方法是保留了重金属原有形态的同时，提升重金属离子在废液中的浓度来达到回收重金属离子的目的。
反观化学沉淀法、电解法、吸附法等方法是通过使重金属由离子形态转变成不溶物的形态来达到除去的目的。
液膜法与离子交换法是主要用在低浓度的重金属离子废水的处理上，化学沉淀法与电解法则主要是用在浓度较高的重金属离子废水的处理上，而吸附法则不同，它可以广泛的应用在处理各类的重金属离子废水上。
吸附法的原理是通过吸附剂材料较高的表面积和他特殊的内部构造对重金属离子废水进行物理及化学吸附。
吸附剂可分为非生物类吸附剂及生物类吸附剂。
生物类吸附剂包括生物体制剂、活性污泥等等。
生物类的吸附方法相比较于生物的絮凝方法更复杂，它是经过络合、螯合、离子交换以及物理吸附等等一系列的生物作用与化学作用来使重金属离子能够被微生物所吸附。
研究发现，不管是死体生物或者是活体生物都对重金属离子有一定的吸附能力，并且这种生物类的吸附剂吸附能力强、易于分离回收、来源广、价格低，与此同时这种生物类的吸附剂也可以使得死体微生物能够被再次的利用，从而达到资源持续化利用的效果。
非生物类的吸附剂主要包含有天然纤维素、活性污泥、矿物质材料、活性炭、蟹壳等等。
其中，活性炭是一种非极性的多孔的吸附材料，因为它有着非常宽大的表面积，和相对比较多的表面化合物，以及优异的机械性能，便使得它成为了处理废水污染的时候，比较常用的吸附剂之一。
矿物质类的吸附剂材料主要是有磷灰石、雷托硅藻土、沸石、蒙脱石、蛭石等一系列的矿物质材料，这类吸附剂是经过表面络合、物理吸附与化学吸附等作用来达到将重金属离子去除的效果。
而纤维素类的吸附方法现在是一种处理重金属离子的新兴的方法，这几年来在治理环境这方面得到广泛的应用和推广，具有广阔的发展前景。
天然纤维素对重金属离子具有一定的吸附能力，与天然纤维素相比经改性处理的纤维素吸附剂对重金属离子具有更好的处理能力，而且吸附性能比较稳定。
1.3改性纤维素离子吸附剂的研究现状
废水中含有许多各种各样的有害物质，它们通过水体的富集作用，积累到生物链中，最后进入人体中，使得人类的生产和生活受到毒害的严重影响。
而在这之中，对环境的污染破坏最为严重和对人类的健康危害最严重的有害物质之一是包含有重金属离子的污染物。
因此，能够找到一种价格较为便宜的净化污水的材料，以此来减少处理污水的的带价，增加净化重金属污染效率这一关键问题也已经成为保护环境的一个亟待解决的问题。
在过去的几年时间里，许许多多的研究者都在致力于研究低成本的能够吸附重金属离子的材料，其中特别是以易制得的、绿色环保及价格低廉的生物类吸附剂材料的受到学着的广泛关注。
尤其是对天然纤维素纤维进行改性处理，提高纤维素吸附性能的方法，与常见的处理重金属离子污染的方法相比较，前者具有操作简便、成本比较低、吸附容量大、不产生后续的污染、吸附速度快等优点。
所以，对天然高分子纤维素材料的研究就成为了治理重金属污染的热点问题。
1.4纤维素吸附剂的制备方法
氧化反应：
纤维素的氧化反应是通过将新的官能团烯醇基或醛基酮基羧基等引入纤维素大分子中，生成不同性质的水溶性或不溶性氧化物，称之为氧化纤维素[2]。
醚化反应：
纤维素的醚化反应是指通过纤维素的羟基同烷基化试剂（即醚化剂）反应生成纤维素醚类的过程，纤维素大分子中每个葡萄糖环上都含C6上的伯羟基与C2C3上的两个仲羟基，烃基取代羟基中的氢后即可生成纤维素醚类衍生物，经醚化后的纤维素其溶解性能发生了显著变化，可溶解于水稀酸稀碱或有机溶剂，纤维素醚类品种繁多，性能优良，可广泛用于建筑石油食品纺织医药造纸环保等行业，如花椒残渣通过醚化反应，可以较好去处理生活废水[3]。
酯化反应：
纤维素的酯化反应是指在酸催化下，纤维素分子链中的羟基与酸酸酐酰卤等发生反应生成纤维素酯的过程，可分为纤维素无机酸酯和纤维素有机酸酯，纤维素无机酸酯以纤维素硝酸酯的使用范围最宽广，纤维素有机酸酯的代表物质有纤维素甲酸酯、乙酸酯、丙酸酯、丁酸酯和二元酸酯等[4]。
接枝共聚反应：
纤维素的接枝共聚反应可分为3类：
游离基聚合离子型聚合及缩合或加成聚合，接枝共聚能够改善纤维素及其衍生物的结构与性质，使之与合成高分子材料相媲美，如用硝酸铈铵作为引发剂，将纤维素与丙烯酰胺接枝共聚获得的吸附剂，有着广泛的使用范围[5]。
阳离子交换纤维素的改性：
阳离子交换剂可交换的基团是羧基，可迁移的阳离子能与溶液中的阳离子进行交换，谷糠纤维素与环氧氯丙烷反应制得的谷糠纤维素强酸性阳离子交换剂，对Cu2+、Cr3+、Ni2+均有很高的吸附作用[6]。
纤维素与环氧丙基三甲基氯化铵制备的阳离子纤维素，可用于染料的吸附[7]。
改性后的半纤维素亲水性大大提高，可用于处理造纸、纺织、食品污水[8]。
浓盐酸与三甲胺反应制备纤维素阳离子交换剂的方法，用于与淀粉纤维素等天然高分子反应制备阳离子型可生物降解的高分子，此类阳离子改性高分子可用于石油污水处理等领域[9]。
阴离子交换纤维素的改性：
麦杆、稻壳等原料与NaOH，环氧氯丙烷，三甲胺盐酸盐反应制到的再生纤维素强阴离子交换剂（CSAE）对印染废水有较好的吸附性能，且再生效果良好[10]。
以聚丙烯腈纤维制得的多胺型阴离子交换纤维可用于Cr（VI）的回收处理[11]。
用醋酸纤维素制成的混合纳米纤维对染料废水具有较好的脱色能力[12]。
1.5本实验的研究意义
随着近几年来我国经济的发展，环境污染日益严重，特别是重金属对环境的污染，每年因为重金属污染而产生的农业减产、医疗事故等造成的损失非常巨大。
同时，由于对资源的不当利用使我国本已紧缺的资源遭受巨大浪费。
我国是典型的农业大国，每年产生大量的天然纤维素，除部分正常使用外，大部分纤维素以废弃物的形式丢弃或燃烧，这样不但造成环境污染，也浪费了这些可利用资源。
如，花生在我国中部和北方大面积种植，每年有大量的花生壳产生，这些潜在的可再生资源在未被发现之前成为丢弃的废物或简单的燃料。
花生壳主要有纤维素、半纤维素、果胶、色素等组成，其中花生壳中的纤维素成分对重金属离子的吸附有重要作用，通过简单的化学修饰对花生壳进行改性处理，制备出具有高吸附性能、吸附性稳定的纤维素吸附剂，进而对处理含Pb2+废水，为大量的花生壳资源找到利用的理论基础。
实验选用花生壳为基础材料制备重金属吸附剂，一方面，以花生壳为原料，不仅减少了花生壳随意丢弃对环境的污染，也提高了花生壳的再利用价值，另一方面，有效处理重金属离子废水，净化水资源，保护人类健康。
2实验部分
2.1实验材料
2.1.1试剂
表2-1实验试剂及厂家
试剂名称
级别（规格）
生厂商
氢氧化钠
AR
天津市盛奥化学试剂有限公司
无水硫酸镁
AR
天津市风船化学试剂科技有限公司
二硫化碳
AR
成都科龙化工试剂厂
无水乙醇
AR
西陇化工股份有限公司
硝酸铅
AR
天津市风船化学试剂科技有限公司
盐酸
GR
西陇化工股份有限公司
2.1.2主要仪器
表2-2实验仪器及规格
仪器名称
规格
容量瓶
1000mL、250mL、100mL、50mL、25mL
锥形瓶
250ml
EYELA油浴锅
OSB-2100
温度计
100℃~200℃
烧杯
50mL、100mL、250mL、500mL
紫外分光光度计
UV-4802S型紫外可见光分光光度计
比色皿
石英
电子万用炉
220V、1KW
电子天平
CP224C
2.2改性花生壳离子吸附剂的制备
2.2.1实验原理
天然纤维素对重金属离子吸附能力不强，必须通过化学改性使它具有更强的或更多的亲和基团，天然纤维材料中含有大量的杂质，表面的胶质、色素影响重金属离子废水的处理，为提高纤维素对重金属离子废水的处理效率，利用化学药剂将纤维素进行改性，纤维素改性分为纤维素预处理和纤维素改性处理两步[13]。
黄化：
也称黄酸化或黄原酸化，黏胶纤维生产中的一个工序，将经老成后的碱纤维素，加入二硫化碳（CS2）与之反应，生成可溶解在稀碱液中的纤维素的黄原酸酯，故名黄化，黄化也是酯化反应的一种，实验中应用纤维素与无机酸酯化反应的亲核取代原理以花生壳为基础材料，以二硫化碳为改性药剂，制备纤维素黄原酸酯吸附剂[14]。
图2-1
2.2.2实验路线
花生壳
预处理
改性处理
吸附剂
对Pb2+的吸附实验
吸附剂制备条件的优化
吸附实验的条件优化
数据计算与分析
得出结论
图2-2
2.2.3实验步骤
2.2.3.1花生壳的预处理
选择花生壳若干，首先用清水浸泡12h，洗净，烘干，粉碎，储存。
取粉碎、烘干的花生壳，采用足量10%的NaOH溶液浸泡花生壳，直至所有花生壳全部沉至瓶底，溶液颜色为暗黄色，过滤将暗黄色液体储存，洗涤花生壳、烘干，完成预处理。
2.2.3.2花生壳的改性处理
取预处理花生壳15g，加500mL10%NaOH，在30℃下对预处理花生壳改性处理1.5h，直到反应溶液变成橘黄色，然后加入50mL8%MgSO4搅拌溶液变为黄色乳状物，使改性花生壳转型及稳定，过滤后的固体留用，利用稀乙醇清洗固体留用物，溶出未反应的有机物及无机物，过滤、洗至中性，50℃下烘干备用，得到改性花生壳。
2.2.3.3改性花生壳离子吸附剂的制备条件的优化
浸泡时间：
对于浸泡时间的筛选，是以效率的最大化为准则，即在最短的时间内，使制备获得的改性花生壳离子吸附剂的吸附率最高。
在实验中，分别取0.5h，1，1.5h，2h，2.5h的浸泡时间段，通过后续实验来检验得出最佳的浸泡时间。
NaOH浓度：
在实验中，分别用6%，8%，10%，12%，14%的浓度的NaOH来浸泡花生壳，并通过后续实验的结果，计算出最高吸附率，与之相对应的即为实验过程中NaOH的最佳浓度。
2.2.4改性花生壳离子吸附剂对Pb2+的吸附实验
本实验采取控制变量法，分别对重金属离子初始浓度、吸附温度、吸附剂用量、pH及吸附重金属离子溶液的时间进行控制，
吸附率=（C0-C1）÷C0×100%
吸附容量=（C0-C1）×V÷m
其中，C0—重金属离子溶液的初始浓度，C1—吸附后重金属离子溶液的浓度，V—溶液的体积，m—吸附剂的质量[15
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