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阳离子纤维素对不同类型染料废水脱色效果研究专业：环境工程 学号：xxx 姓名：xxx指引教师：xxxx摘要:为了研究阳离子纤维素对不同类型染料废水脱色效果，通过单因素实验和正交实验，探讨了阳离子纤维素在不同温度、反映时间、pH、剂量、转速条件下分别对橙黄、铬黑T、亚甲基蓝模仿染料废水脱色率影响。成果表白，阳离子纤维素对橙黄、铬黑T、亚甲基蓝模仿染料废水最佳脱色条件分别为橙黄：pH值为5，水温40，时间为20min，絮凝剂投加量0.0016g/mL，转速为500r/min；亚甲基蓝：pH值为11，水温30，时间为20min，絮凝剂投加量0.0012g/mL，转速500r/min；铬黑T：pH值为5，水温50，时间为15min，絮凝剂投加量0.0012g/mL，转速600r/min。阳离子纤维素对铬黑T脱色效果最佳，脱色率可达99.53%。核心词： 秸秆；改性；染料废水；脱色率絮凝剂重要是带有正（负)电性基团中和某些水中带有负(正）电性难于分离某些粒子或者颗粒，减少其电势，使其处在稳定状态，并运用其聚合性质使得这些颗粒集中，并通过物理或者化学办法分离出来。普通为达到这种目而使用药剂，称之为絮凝剂。将天然高分子物质如淀粉、纤维素、壳聚糖等进行改性，产物有良好絮凝性能，或兼有某些特殊性能。秸秆作为一种农业生产重要副产品，产量大、分布广，同步也是一项重要生物资源。据记录，国内每年产农作物秸秆约6.2亿吨，资源拥有量居世界首位1。秸秆一种重要构成某些即是纤维素，将纤维素进行阳离子化改性，可得到各种阳离子纤维素，应用于生活、环保等各个方面。纤维素阳离子化就是在纤维素羟基位置上，通过与阳离子化学试剂进行醚化接枝反映即季氨阳离子基团化学改性，也可称为胺化。通过这种改性可以使纤维素普通在水溶液中带负电荷转化为带正电荷，从而使纤维素容易吸引带负电荷活性染料、酸性染料等在纤维素上形成不溶性染料色淀。这对提高染料运用率、减少染色废水色度和蛋白质纤维与纤维素纤维混纺织物用酸性染料同浴可染等方面都具备重要意义2。国内是纺织生产大国，印染行业总量居世界第一3，但印染加工产生大量废水对水体污染非常严重，对其解决变得越来越重要。据不完全记录，国内印染废水每天排放量为300400万m34。印染废水具备水量大、色度大、成分复杂、有机污染物含量高特点，其染料构造中硝基、氨基化合物及铜、铬、锌、砷等重金属元素有较大生物毒性，生化解决性能差，难降解，严重污染环境5,6。特别是近年来，合成纤维品种和数量增长以及化学浆料(PVA) 代替淀粉在印染工业中应用，使得印染废水更加难以解决7。因而，印染废水脱色问题成为废水解决急需解决一大难题。近年来，随着高效、新型高分子絮凝剂开发和应用，由于其良好凝聚效果、脱色能力和操作简朴、投资省等长处，高分子絮凝剂正广泛地应用于解决印染废水过程中8。印染废水中染料不易被生物降解，是废水中色素重要来源，同步也是最为棘手难题，某些染料浓度低于1mg/L时就能使接受水体明显着色9,10，因此即便是少量染料也会污染大面积水体。运用秸秆合成新型阳离子纤维素，可作为一种良好而较便宜絮凝剂用于印染废水解决中。纤维素具备便宜性和环保可再生性，是将来高分子絮凝剂发展重要趋势之一。阳离子型絮凝剂是高分子表面活性剂一种，具备安全无毒、可生物降解、价格低廉等长处，与低分子型相比，溶液粘度高，成膜性好。本文运用秸秆与十四烷基三甲基氯化铵在一定条件下反映，制得新型阳离子纤维素，并研究其对橙黄、亚甲基蓝、铬黑T三种模仿废水脱色效果以及最佳脱色条件，以摸索废弃秸秆资源化和染料废水脱色新途径。1材料与办法1.1材料与仪器1.1.1水稻秸秆:取自四川农业大学雅安农场。1.1.2 模仿染料废水：分别为浓度0.03g/L铬黑T(中性型染料)、橙黄（阴离子型染料）、亚甲基蓝（阳离子型染料）。中性型染料：一种非离子型染料，在水中呈分散微粒状态，合用于对维纶、锦纶、丝、毛及柞蚕丝等进行染色。铬黑T（C20H12N3NaO7S）分子中具有一种磺酸基和两个不同还原基团(偶氮基和酚羟基)，因而铬黑T有良好水溶性。分子中苯环和萘环都是很稳定基团，不易被氧化分解，铬黑T可以为是一种有代表性可溶解性难降解有机物11。阴离子型染料：一类可溶于水阴离子染料，大多具有磺酸基等亲水性基团。橙黄(C16H11N2O4SNa)是水溶性较好、惯用于生物染色阴离子染料，也惯用于毛、丝及锦纶织品染色和印花，以及皮革、纸张着色。在水溶液中，橙黄以带负电荷阴离子形式存在12。阳离子型染料：阳离子染料由带正电荷基团和发色团构成，合用于睛纶染色，色彩鲜艳，牢度较好。亚甲基蓝（C16H18ClN3S）是一种典型阳离子硫氮蒽类染料，被广泛应用于印染工业，性质稳定，很难在自然条件下降解13。1.1.3 仪器：WFJ7200型可见分光光度计、Hg-6多头磁力加热搅拌器、高速离心机。1.2 办法1.2.1 阳离子纤维素制备(1)秸秆前解决称取10g过20目筛水稻秸秆、20g氢氧化钠加入1000mL烧杯，同步加入200mL蒸馏水、100mL浓度为3%双氧水，将烧杯置于磁力搅拌器上，控制搅拌速率为300r/min，控制温度在510下搅拌5h6h后进行过滤，对产物使用蒸馏水不断润洗，直至接近中性，在60烘干至恒重。(2)阳离子纤维素合成将预解决后秸秆与十四烷基三甲基氯化铵按质量比1：2加入烧杯中，加入一定量蒸馏水和双氧水，调节pH为7，将烧杯置于恒温磁力搅拌器上，调控反映温度为40、搅拌速率为400r/min进行改性，反映3h后静置，待产物析出后弃去上清液后抽滤，对产物用蒸馏水润洗多次，在60烘干至恒重，即得阳离子纤维素。1.2.2 印染废水脱色实验1.2.2.1 单因素实验设计将制得阳离子纤维素分别用于橙黄、亚甲基蓝、铬黑T模仿染料废水脱色实验，各取浓度为0.03g/L橙黄、亚甲基蓝、铬黑T模仿染料废水300ml，分别调节阳离子纤维素投加量、反映时间、搅拌速率、pH、温度，考察阳离子纤维素在各单因素作用下对模仿染料废水脱色效果。（1）投加量实验：在反映温度=20、搅拌速率=300r/m、pH=7、反映时间=10min时，分别加入0.002g/ml、0.0004g/ml、0.0008g/ml、0.0012g/ml、0.0016g/ml阳离子纤维素，考察不同投加量对模仿染料废水脱色率影响。（2）时间实验：在反映温度=20、搅拌速率=300r/m、pH=7、剂量=0.0004g/ml时，分别搅拌5min、10min、15min、20min、25min，考察不同反映时间对模仿染料废水脱色率影响。（3）转速实验：在反映温度=20、pH=7、剂量=0.0004g/ml、搅拌时间=10min时，控制搅拌速率为200r/m、300r/m、400r/m、500r/m、600r/m，考察不同搅拌速率对模仿染料废水脱色率影响。（4）pH实验：在反映温度=20、剂量=0.0004g/ml、搅拌时间=10min、搅拌速率=300r/m时，控制溶液pH为3、5、7、9、11，考察不同酸碱度对模仿染料废水脱色率影响。（5）温度实验：在剂量=0.0004g/ml、搅拌时间=10min、搅拌速率=300r/m、pH=7时，控制反映温度为20、30、40、50、60，考察不同反映温度对模仿染料废水脱色率影响。1.2.2.2 正交因素实验通过正交实验研究阳离子纤维素对三种模仿染料废水最佳脱色条件。1.3 脱色指标与办法测定模仿废水原液吸光度A及经阳离子纤维素脱色解决后废水吸光度A1，由脱色率公式计算脱色率：脱色率 = （A-A1）/A100%。分别以各单因素为横坐标，脱色率为纵坐标作出三种模仿废水脱色率在各单因素下趋势图，分析各单因素对脱色率影响。2 成果与讨论2.1扫描电镜图（SEM）为了更加直观地理解分析秸秆改性先后微观构造,拍摄扫描电镜照片。将真空干燥后改性前农作物秸秆及改性农作物秸秆粘于载物台上，在试样表面喷涂一层金膜，然后用JSM-7500F型扫描电镜观测固体表观形貌。拍摄放大5000倍电镜照片,通过对比样品电镜照片,分析秸秆改性先后微观形貌构造变化。图1水稻秸秆SEM图2改性水稻秸秆SEM图1为改性前水稻秸秆放大5000倍SEM观测图片，图2为改性后水稻秸秆放大5000倍SEM观测图片。比对分析可以看出，改性先后水稻秸秆构造发生了明显变化。改性前水稻秸秆表面比较粗糙密实、构造凹凸不平，通过改性为阳离子纤维素，脱去了大某些半纤维素、木质素、灰分等，表面更加均匀、排列更加有序。这是由于通过碱法对水稻秸秆进行预解决后，不但分理出木质素、半纤维素，并且使剩余构造变得疏松多孔，有益于后续反映，在运用碱法对木质素进行脱除过程中加入适量过氧化氢，由于过氧化氢与木质素侧链上羰基、双键反映，通过氧化，变化羰基构造、将侧链碎解，可以提高分离木质素能力，同步过氧化氢具备较好漂白性能，使产物外观更加美观。运用碱液中金属离子对外围水分子吸引力作用，形成“水合离子”打开纤维素结晶区，提高反映活性度。因而改性后水稻秸秆构造更加均匀有序，同步形成较多空洞缝隙，增长了表面积，有助于对染料吸附，提高了脱色性能。2.2 单因素实验2.2.1 温度影响实验图3 温度对脱色率影响从图3可以看出，温度升高不利于阳离子纤维素对染料废水脱色，阳离子纤维素对橙黄、亚甲基蓝、铬黑T模仿染料废水脱色率均呈下降趋势。温度在20时对橙黄、亚甲基蓝模仿染料废水脱色率最大，温度在30时对铬黑T模仿染料废水脱色率最大。随着温度升高，阳离子纤维素对橙黄染料废水脱色率下降了18.16%，对亚甲基蓝染料废水脱色率下降了12.11%，对铬黑T染料废水脱色率下降了14.95%。因而在运用阳离子纤维素对染料废水进行脱色时，最佳处在常温或在较低温度下进行。2.2.2 pH影响实验 图4 pH对脱色率影响由图4可以看出，pH对于阳离子纤维素对橙黄、亚甲基蓝、铬黑T染料废水脱色效果有较大影响。随着pH增大，阳离子纤维素对橙黄、铬黑T模仿染料废水脱色率呈下降趋势，在pH=3时脱色率达到最大，分别为94.76%、96.4%，当进入碱性环境时，脱色率更是急速下降。随着pH增大，阳离子纤维素对亚甲基蓝模仿染料废水脱色率呈上升趋势，但在整个pH变化范畴内脱色率变化并不明显，在pH=9时脱色率达到最大。这是由于橙黄、铬黑T染料为酸性染料，在反映环境为酸性时阳离子纤维素表面阳离子基团与染料阴离子基团存在强烈静电吸附，废水中染料通过静电被不断吸附去除；而亚甲基蓝为碱性染料，在酸性条件下，亚甲基蓝染料与阳离子纤维素表面基团互相排斥，不利于脱色反映，但当溶液处在碱性环境时，OH-会中和某些正电荷，有助于脱色反映进行。因而在运用阳离子纤维素对染料废水进行脱色时，依照不同性质废水来选取酸碱度。2.2.3时间影响实验图5 时间对脱色率影响由图5可知，随着时间增长阳离子纤维素对铬黑T、亚甲基蓝模仿染料废水脱色率呈上升趋平趋势，在525min反映时间段内，阳离子纤维素对亚甲基蓝废水脱色率增长了17.39%，对铬黑T染料废水脱色率增长了27.83%。这是由于随着时间增长溶液中染料分子向絮凝剂表面扩散加大14，电荷互相作用结合过程加快，使得阳离子纤维素絮凝效果增强。阳离子纤维素对橙黄模仿染料废水脱色率影响呈上升后下降趋势，在520min时间段内，脱色率从29.68%猛增到77.72%，但在25min时下降到54.12%。这是由于吸附达到饱和后来，如果继续增长搅拌时间，就会把已经结合吸附单体破坏，使染料重新进入水体，导致脱色率下降。因而运用阳离子纤维素进行脱色反映时，应当精确把握反映时间节点，使脱色效果达到最佳。2.2.4投加量影响实验图6投加量对脱色率影响由图6可以看出，阳离子纤维素投加量对橙黄、亚甲基蓝、铬黑T三种模仿染料废水脱色率有着很大影响。随着阳离子纤维素投加量增大，其对橙黄、亚甲基蓝、铬黑T三种模仿染料废水脱色率均呈上升趋平趋势，投加量为0.0016g/ml时脱色率达到最大。这是由于当阳离子纤维素表面电荷基本中和之后，再进一步投加阳离子纤维素，其自身所带大量正电荷使得微粒表面电位开始上升，斥力增长，达到另一种稳定状态，不易凝聚，因而絮凝效果变差不再发生大变化15。因而，运用阳离子纤维素进行脱色反映时，应当把握投加量，使脱色效果达到最佳。不能单纯追求数量，否则不但会导致挥霍，同步也不利于废水脱色。2.2.5 转速影响实验图7 转速对脱色率影响由图7可以看出，搅拌速率对于橙黄、亚甲基蓝、铬黑T染料废水脱色率影响不大。搅拌速度越快，接触越充分，单位时间内有效碰撞次数增长，吸附量也就越大，因而脱色率也许增大；但搅拌速率过大，也有也许由于剪切力作用，形成絮体被立即剪切为较小絮体，使脱色率逐渐减少16。图中所见：亚甲基蓝染料废水脱色率在搅拌速率200r/m600r/m范畴内基本不变，橙黄染料废水脱色率在200r/m600r/m范畴内随搅拌速率增长先减后增，但变化幅度不大，而铬黑T染料废水脱色率变化与搅拌速率变化没有直接规律。可以看出：搅拌速率变化并不是影响改性秸秆对染料废水脱色率大小重要因素。2.3 正交实验2.3.2橙黄正交成果分析由表1可知，阳离子纤维素对橙黄脱色率各因素重要顺序为：温度时间剂量pH，即脱色时温度影响最大，另一方面是时间和剂量，pH影响很小。4个因素最优水平组合为：A2B2C3D3,即pH值为5，水温40，时间为20min，阳离子纤维素投加量0.0016g/mL。在此条件下阳离子纤维素对橙黄废水脱色率为95.54%。表1 橙黄正交实验成果表L9(34)因素pH（A）温度(B)时间min(C)剂量g/ml(D)脱色率%330100.0008水平540150.00121150200.00161330100.000888.122340150.001293.8133 50200.001674.574530150.001686.465540200.000895.546550100.001285.3071130100.001283.4081140200.001690.1791150150.000889.02K185.5085.9987.8690.89K289.1093.1789.7687.50K387.5382.9680.5083.73R3.610.21 9.267.162.3.4亚甲基蓝正交成果分析由表2可知，阳离子纤维素对亚甲基蓝脱色率各因素重要顺序为：温度pH时间剂量，即脱色时温度影响最大，另一方面是pH和时间，剂量影响最小。4个因素最优水平组合为：A3B1C2D2,即pH值为11，水温30，时间为20min，阳离子纤维素投加量0.0012g/mL。在此条件下阳离子纤维素对亚甲基蓝废水脱色率为65.43%。表2 亚甲基蓝正交实验成果表L9(34)因素pH（A）温度(B)时间min(B)剂量g/ml(C)脱色率%730150.0008水平940200.00121150250.00161730150.000847.842740200.001256.4737 50250.001635.654930150.001661.915940200.000860.886950250.001239.8271130200.001265.4381140250.001660.6591150150.000844.89K146.6558.3949.4451.20K254.2059.3354.4253.91K356.9940.1253.9952.74R10.3419.21 4.982.702.3.6 铬黑T正交成果分析由表3可知，阳离子纤维素对印染废水脱色率各因素重要顺序为：温度投加量时间pH，即脱色时温度影响最大，另一方面是剂pH和时间，投加量影响很小。4个因素最优水平组合为：A2B3C1D2，即pH值为5，水温50，时间为15min，阳离子纤维素投加量0.0012g/mL。在此条件下阳离子纤维素对铬黑T废水脱色率为99.53%。表3 铬黑T正交实验成果表L9(34)因素pH（A）温度(B)时间min(C)剂量g/ml(D)脱色率%330150.0008水平540200.0012750250.00161330150.000861.882340200.001297.8833 50250.001695.534530200.001652.475540250.000895.766550150.001299.537730150.001272.248740250.001655.299750200.000882.35K185.1062.2072.2380.00K282.5982.9877.5789.88K369.9692.4787.8467.76R15.1430.2715.6122.123 结论(1)运用废弃秸秆在一定条件下与十四烷基三甲基氯化铵反映，可制得具备絮凝脱色作用新型阳离子纤维素。 (2)通过单因素实验和正交实验可得出，阳离子纤维素对橙黄、铬黑T、亚甲基蓝模仿染料废水最佳脱色条件分别为橙黄：pH值为5，水温40，时间为20min，阳离子纤维素投加量0.0016g/mL,转速500r/min，在此条件下阳离子纤维素对橙黄废水脱色率为95.54%。；亚甲基蓝：pH值为11，水温30，时间为20min，阳离子纤维素投加量0.0012g/mL,转速500r/min，在此条件下阳离子纤维素对亚甲基蓝废水脱色率为65.43%。；铬黑T：pH值为5，水温50，时间为15min，絮阳离子纤维素投加量0.0012g/mL,转速600r/min，在此条件下阳离子纤维素对铬黑T废水脱色率为99.53%。（3）通过新型阳离子纤维素对橙黄、亚甲基蓝、铬黑T三种不同类型染料废水脱色研究表白，此种阳离子纤维素最适合铬黑T染料（中性型染料）废水脱色。参照文献1薛志根.农作物秸秆综合运用浅析J.当代农业科技，,（10）：197.2王华,何玉凤,何文娟,等. 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