秸秆负载纳米水合金属氧化物及去除水中Cu(II)的特性研究开题报告

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1. 研究目的与意义

重金属是危害性很大的重要污染物，具有毒性强、持久性、隐蔽性、易迁移富集等特点，对人体健康和生态环境构成威胁。电镀、矿山、冶金、电子、印染、制革、机械制造、化工等行业在生产过程中会排放大量重金属废水。近些年来，重金属污染事件频发，重金属水污染问题已引起世界各国的高度关注。

重金属毒性极强，即使在微量的浓度下，也会对生物和人体产生极大危害，因而，重金属的深度净化处理尤为重要。世界各国重金属水质控制标准也越来越严格，对于 pb2 ， hg2 、 cd2 ， ni2 ， cu2 等重金属，饮用水安全控制标准的浓度限制大多要求达到 0.01 mg/l 甚至 0.001 mg/l 以下。

离子交换与吸附法具有占地面积小、能耗低、操作简便、易实现资源回收等诸多优点，是极具前景的水处理方法，受到环保学者的高度关注。传统的离子交换剂（磺化煤、离子交换树脂等）是基于正负离子间的静电吸引，对重金属离子缺乏特异作用力，当水中含有大量 na 、k 、mg2 、ca2 等共存常规离子时，难以将微量重金属选择性分离去除。克服传统离子交换与吸附剂的不足，研究开发新的高效重金属吸附材料，实现水中重金属的选择性去除净化，是当前新技术的关键。秸秆来源广泛、廉价易得，秸秆焚烧等带来的环境问题已经引起广泛关注，因而秸秆的综合利用是一个重要研究课题。本研究以稻秸秆为载体，将水合金属氧化物（mxoy）负载到稻秸秆上，研制对水中污染物具有特殊亲和力和深度去除能力的纳米复合吸附剂，并系统评价其性能。

2. 国内外研究现状分析

现阶段无害化处理重金属废水的方法可分为三类：物理法，包括膜分离法、吸附法、溶剂萃取法、离子交换法、蒸发浓缩法等；化学法，包括化学沉淀法、电化学法；生物法，包括生物修复法、生物絮凝法、生物吸附法。生物吸附技术是近年来发展的废水处理新技术，其中生物吸附剂的研究成为热点。大量研究表明，一些微生物(主要包括细菌、霉菌、酵母菌、藻类瞳、有机物以及农业废弃物等对金属离子都有很强的吸附能力。

我国每年产生农作物秸秆达9亿多吨，如不进行有效处理或利用，将是一个潜在的巨大污染源。秸秆富含纤维素和木质素等天然高分子，分子链上分布有大量的羟基、羰基、羧基等活性基团。由于其廉价易得，且具有稳定的结构和独特的表面性质，以秸秆为原料制备重金属吸附剂是当前研究的一个热点。南京大学孟颖等以小麦秸秆为原料，通过季按化反应，制备新型秸秆吸附材料，并研究了其对as(Ⅲ)的吸附行为；山东大学陈素红采用二乙烯三胺交联化以及三乙胺接枝共聚，对玉米秸秆改性制备成吸附剂，从而去除水中cr（Ⅵ）；华南理工大学曹威以水稻秸秆为原料，通过氢氧化钠碱化、环氧氯丙烷醚化交联、三甲胺季铵化等化学改性步骤制备出阴离子吸附剂，达到去除水中cr（Ⅵ）的目的；郑刘春通过用丙烯腈对玉米秸秆进行醚化和接枝化将其改性制备出两种不同的吸附剂去除水中镉；roshanak khandanlou等将水合氧化铁负载到稻秸秆粉末上，制成复合材料去除重金属cu² 和pb² ；还有一些学者利用秸秆制备磁性fe₃o₄纳米颗粒。总之，目前报道的方法主要是对秸秆进行酸、碱或化学改性，以提高秸秆的吸附容量，而且大多需要将秸秆粉碎以增大秸秆比表面积，暴露出更多活性基团。这些方法的不足之处主要在于：制备过程以及所用试剂较复杂，易产生污染；秸秆粉碎后，机械强度差，在水处理中使用不方便，易于流失；对重金属的深度去除能力不佳。

近年来，水合氧化铁（hydrated ferric oxide, hfo）因其对重金属离子具有特异的专属亲和力，且廉价易得、环境友好、性质稳定等特性引起了环境学者的高度关注。水合氧化铁颗粒非常细小，直接用于水处理不容易回收，在固定床中使用压降又太大。将hfo负载到大颗粒固体表面，可以较好地解决这一问题。国内外学者已经开展了不少工作，比如将hfo负载到砂石、活性炭、有机聚合物、黏土等基材上，研制重金属吸附剂。这些吸附材料取得了较好的去除效果，但普遍存在材料结构不可控、成本高等缺点。寻找更廉价有效的载体，将十分有利于类似材料的实际应用。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容为：（1）采用简便绿色的工艺方法将水合氧化铁(hfo)、水合氧化锆（hzro）和水合氧化钛（hto)稳定负载到稻秸秆（rs）表面。（2）调控金属氧化物在秸秆表面的分布及形态。（3）通过静态平衡吸附、竞争吸附、吸附热力学和动力学、柱吸附-脱附再生等实验系统评价所制材料对水中重金属的吸附、脱附特性。（4）考察所制材料的结构与化学稳定性。

计划：

前期准备：明确研究目的与意义、研究内容、毕业论文要求，查阅相关文献资料。

4. 研究创新点

（1）基于界面自组装的原理，实现水合金属氧化物在稻秸秆表面的可控稳定负载。

（2）采用廉价原料稻秸秆以及绿色简便的合成方法，所得材料对水中多种污染物具有高选择性吸附和深度去除能力，吸附饱和后可再生重复使用，材料性能具有突出优势。

（3）所制备的复合材料呈环状，粒径较大，应用方便，不易流失；而且机械强度和化学稳定性都得到了增强，克服了文献报道中类似材料的不足。