木質(zhì)素在納米ZnO光催化劑制備及染料廢水處理中的應(yīng)用研究.pdf

1、木質(zhì)素簡(jiǎn)稱木素，幾乎存在于一切植物當(dāng)中。它是自然界中豐富的天然有機(jī)高分子化合物。來自于造紙黑液中的木質(zhì)素每年產(chǎn)出大約超過5000萬t。黑液的隨意排放不僅嚴(yán)重污染了水體環(huán)境，而且造成了可再生資源的大量流失，帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題和經(jīng)濟(jì)問題。木素的綜合利用一直是黑液能否從根本上治理的關(guān)鍵。作為造紙工業(yè)的副產(chǎn)物，木質(zhì)素的利用率極低，全世界每年產(chǎn)生的工業(yè)木質(zhì)素中只有不到2％被利用。因此無論從資源利用，還是從環(huán)境保護(hù)的角度看，開發(fā)木質(zhì)素利用的新方法

2、，提高木質(zhì)素的利用率，不僅可減少環(huán)境污染，還可緩解資源危機(jī)，維持可持續(xù)發(fā)展。
　　本論文以造紙黑液中提取的堿木素為主要原料通過胺化改性合成陽離子木素胺表面活性劑，開發(fā)其在廢水處理中的應(yīng)用，并研究以木素胺為模板合成納米ZnO光催化劑，或者直接以造紙工業(yè)的副產(chǎn)品木素磺酸鹽做表面活性劑合成納米ZnO光催化劑，用于光催化降解水中的有機(jī)污染物。論文研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面:
　　(1)木素胺的合成
　　以造紙黑液中提取的堿木

3、質(zhì)素為原料通過Mannich反應(yīng)合成陽離子木素胺，通過三因素三水平正交設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)，研究了脂肪胺用量、甲醛用量和溫度三個(gè)因素對(duì)木質(zhì)素胺化改性的影響，以含氮量和粘度為指標(biāo)找出合成木素胺的最佳改性條件，并對(duì)改性效果最好的樣品進(jìn)行差熱、紅外、紫外等測(cè)試表征。
　　(2)木素胺的絮凝脫色作用研究
　　合成的陽離子木素胺樣品對(duì)陰離子偶氮染料鉻藍(lán)黑R和剛果紅產(chǎn)生了較好的絮凝脫色作用。兩種染料溶液48 h的脫色率均達(dá)到95％以上，盛染料溶

4、液的燒杯底部可見有大量絮體沉積析出。對(duì)兩種染料COD的去除率分別達(dá)到62.9％和90.4％。試驗(yàn)研究了不同脫色時(shí)間、pH值、投加量、無機(jī)鹽以及染料初始濃度對(duì)絮凝脫色作用的影響。并對(duì)絮凝脫色行為進(jìn)行了熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型擬合，對(duì)絮凝脫色機(jī)理進(jìn)行了探討。
　　(3)以木素胺為模板固相法合成納米ZnO光催化劑
　　以合成的木素胺為模板，通過固相反應(yīng)制備氧化鋅前驅(qū)體，前驅(qū)體再經(jīng)不同溫度煅燒，最終合成納米氧化鋅光催化劑。研究了不同模板劑

5、用量和不同煅燒溫度對(duì)光催化性能的影響，并對(duì)催化劑進(jìn)行傅里葉變換紅外(FT-IR)光譜、粉末X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、紫外-可見(UV-Vis)光譜、差熱(TG-DSC)、比表面積BET、PL譜等各項(xiàng)性能表征。重點(diǎn)探討了其對(duì)甲基橙模擬廢水的光催化性能，研究了甲基橙的初始濃度、催化劑用量、催化時(shí)間對(duì)光催化效果的影響。結(jié)果表明甲基橙濃度為20 mg·L-1，催化劑用量為100 mg·L-1時(shí)光催化效果最好。煅燒400℃，摻雜1

6、g木素胺制備的納米ZnO樣品(ZL4)具有優(yōu)良的紫外和太陽光催化活性。紫外光照射不到1h和太陽光照射6h，甲基橙幾乎完全降解。ZL4樣品還對(duì)其他染料如亞甲基藍(lán)、剛果紅和鉻藍(lán)黑R具有良好的催化降解作用。
　　(4)以木素磺酸鈣(LS)為表面活性劑通過液相沉淀法合成納米ZnO光催化劑
　　采用液相沉淀法合成了納米氧化鋅復(fù)合光催化劑，研究了木素磺酸鈣(LS)的添加對(duì)納米氧化鋅結(jié)構(gòu)和形貌的影響。利用FT-IR、XRD、SEM、UV-

7、Vis、BET等技術(shù)對(duì)所制備的光催化劑進(jìn)行了系列表征。以甲基橙的脫色降解為模型反應(yīng)，考察了摻雜木素磺酸鹽及不同焙燒溫度對(duì)ZnO的物理結(jié)構(gòu)和光催化脫色性能的影響。結(jié)果表明:摻入2 g（質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1％）的木素磺酸鹽能明顯改變氧化鋅形貌，產(chǎn)生更多的表面羥基，改善氧化鋅表面狀態(tài)，顯著提高光催化脫色活性能和光催化穩(wěn)定性。焙燒溫度對(duì)光催化劑的晶體結(jié)構(gòu)、表面性能和光催化活性產(chǎn)生較大影響，300?！娴谋簾幚硎箻悠返慕Y(jié)晶度較高，同時(shí)催化劑顆粒粒徑較細(xì)

8、，表面具有豐富的羥基。但過高的焙燒溫度(600-700℃)將導(dǎo)致催化劑的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生惡化，降低光催化性能。ZnO-LS-2g，300℃煅燒樣品對(duì)甲基橙顯示了優(yōu)良的光催化活性，60 min的降解率達(dá)到98％以上。
　　(5)以木素磺酸鈉(SL)為表面活性劑和結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑通過水熱法合成納米ZnO光催化劑
　　采用簡(jiǎn)單的水熱法合成納米ZnO光催化劑，創(chuàng)新性地提出了用造紙工業(yè)的副產(chǎn)物木素磺酸鈉SL為表面活性劑和結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑運(yùn)用于納米材料

9、的合成上。利用FT-IR、XRD、SEM、UV-Vis、BET等技術(shù)對(duì)所制備的光催化劑進(jìn)行了系列表征。以甲基橙和亞甲基藍(lán)脫色降解為模型反應(yīng)研究了Zn2+∶OH-的不同摩爾比，及SL不同摻雜量對(duì)比表面積及光催化性能的影響。結(jié)果顯示，Zn2+∶OH-摩爾比為1∶4，SL摻雜量為0.5 g的樣品(ZnO-SL-0.5)顯示了更大的比表面積和更好的光催化活性。研究表明催化劑對(duì)亞甲基藍(lán)的光催化活性強(qiáng)于甲基橙，光催化40 min的降解率達(dá)到98％以