新型材料碳纤维在水处理应用中的研究进展

随着水环境污染问题的日趋严重,污水治理问题备受关注。碳纤维材料因其具有较大的比表面积和良好的生物亲和性,易于微生物附着,利于吸附、生物脱氮除磷的进行,从而去除水中氮磷等污染物,在水处理中具有应用前景。系统介绍了碳纤维材料的发展历程及其在工业等领域的应用,对碳纤维材料高强度、耐高温、耐腐蚀等特性进行了总结,重点介绍了碳纤维材料在饮用水、工业废水及富营养化水体等水处理中的应用,同时结合目前的研究现状,分析了将来研究的开展方向及趋势。     

锆、铁氧化物改性活性炭纤维的制备及其除磷性能

利用锆、铁氧化物对活性炭纤维进行改性,制备了一种新型高效除磷吸附剂——负载锆铁氧化物的活性炭纤维(ACF-ZrFe)。综合运用单因素实验与正交实验对吸附剂的制备条件进行优化,同时利用环境扫描电镜和傅里叶变换红外光谱分析对吸附剂表面性质及反应机理进行了探究。实验结果表明,ACF-ZrFe制备的最佳条件为:锆铁摩尔比7:3,浸渍液中锆铁总浓度0.1 mol/L,超声处理时间10 min。当pH为4时,ACF-ZrFe对磷的吸附效果最显著。NO3-、SO42-、F-和Cl-等共存阴离子对磷吸附有一定抑制作用,其作用强弱顺序为:F- > NO3- > Cl- > SO42-。Langmuir等温吸附模型很好地描述了ACF-ZrFe对水中磷的等温吸附行为,最大吸附量为27.03 mg/g,吸附动力学满足准二级动力学模型,表明化学吸附是该反应的主要限速步骤。红外光谱分析及pH影响实验表明,ACF-ZrFe吸附磷的主要机理为阴离子配位体交换和静电吸附。     

活性炭纤维对氟硅唑的吸附性能

研究了25、30、35℃时氟硅唑在活性炭纤维上的吸附平衡、热力学及动力学特性。结果表明：Langmuir模型能较好地描述氟硅唑的吸附行为,吸附为自发的放热过程,且主要以化学吸附为主;用动力学模型对实验数据进行拟合,结果显示,活性炭纤维吸附氟硅唑更符合准二级动力学模型,随着温度的升高,吸附速率随之降低。     

采用化学发泡法制备发泡钢渣水泥

以自制的钢渣水泥（钢渣用量达到60%）为主要的胶凝材料,利用双氧水分解反应的化学发泡法制备发泡水泥,分别研究发泡剂掺量、催化剂二氧化锰、发泡时的搅拌水温、水胶比及玻璃纤维对发泡过程及制备的发泡水泥性能的影响。实验结果表明：催化剂二氧化锰对双氧水分解反应的速率影响较大,加入催化剂后的发泡速率成阶段性变化,但发泡后的最终体积趋于一致;当双氧水用量为4%时,发泡水泥7 d的抗压强度为0.61 MPa,干密度达到556 kg·m-3;发泡时搅拌水温控制在30℃时,发泡过程基本在24 min内结束,发泡效果较好;发泡水泥的抗压强度、干密度随着水胶比的增加而降低;玻璃纤维对发泡水泥孔结构的形成有影响,当玻璃纤维量为0.4%时,其在0~1 mm、1~2 mm内分布的孔较多,整体上孔分布较为均匀,7 d的抗压强度达到0.72 MPa。     

碱处理和掺氮耦合改性对活性炭纤维吸附甲醛性能的影响

甲醛作为一种常见的挥发有机化合物（VOC）,对人体健康构成长期危害。为提高活性炭纤维（ACF）对甲醛等有害气体的吸附去除能力,采用不同浓度的碱处理和不同温度的氮修饰对ACF进行耦合改性,对共同改性后的ACF进行SEM、BET和XPS等分析测试,获得相关物理化学参数,并评价其吸附去除甲醛气体的性能。研究结果表明：碱处理后的ACF获得了发达的微孔结构和较高的比表面积。氮修饰后,ACF表面含氮官能团数量明显提高。改性后的ACF去除甲醛的性能得到了明显的提升,对初始浓度为4 mg·m-3的甲醛去除率高达98%。吸附去除甲醛性能的提高应该归因于比表面积的大幅度提升和表面含氮官能团数量增加的共同作用。     

废玻璃/铝渣人工沸石对水中Ca2+的吸附

利用废玻璃和铝渣制备沸石,进而表征沸石结构特征并研究其对水中Ca2+的吸附性能。采用批式实验考察不同温度下沸石用量、初始pH、振荡频率、接触时间对吸附量的影响,并研究吸附过程热力学、动力学特征。结果表明,吸附量随沸石用量增加而减小、随接触时间延长而增大。初始pH和振荡频率对吸附量影响较显著。温度变化对平衡吸附量影响不大,但升高温度可显著缩短吸附平衡时间。最佳工艺参数为：沸石用量20 g·L-1,初始pH 6~8,振荡频率150 r·min-1,接触时间60 min,此时吸附量约16 mg·g-1。Langmuir等温线最符合沸石吸附水中Ca2+过程,表明该过程是均质单分子层吸附。动力学特征最符合准二级动力学方程,证实该过程主要受离子交换、颗粒外液膜扩散和颗粒内扩散控制。该沸石对水中Ca2+吸附过程是物理吸附和化学吸附并存的自发、吸热、熵增过程。该沸石可较好地去除水中Ca2+,故具有一定软化硬水能力。     

基于Donnan渗析离子交换膜分离水中的Cd(Ⅱ)

基于Donnan渗析原理构建了离子交换膜反应器,探讨了受体池溶液种类和浓度、给体和受体池搅拌功率以及给体池溶液的初始pH、进水流量和Cd(Ⅱ)进水浓度等因素对Cd(Ⅱ)分离效果的影响。结果表明,随着搅拌功率由0.035 W增大为0.162 W,Cd(Ⅱ)分离去除率与离子通量显著增加。当受体液NaCl浓度为0~0.5 mol·L-1时,Cd(Ⅱ)分离去除率随着受体液浓度的增加而显著增加。当给体池进水Cd(Ⅱ)溶液初始pH≤8时,Cd(Ⅱ)分离去除率随受体液pH的增加而增加。此外,给体池中Cd(Ⅱ)分离去除率与Cd(Ⅱ)初始浓度以及给体池进水流量成反比。在本实验条件下,Cd(Ⅱ)的分离去除率最高可达85.51%。     

联合法赤泥的特性及其对水溶液中Pb(Ⅱ)的去除

赤泥作为氧化铝冶炼过程中排出的一般工业固废,具有数量大、碱性强、粒径小、孔隙结构丰富等特征。采用XRF、XRD、SEM/EDX等分析手段,研究了赤泥的化学组成、矿物结构、粒度、比表面积、表面形貌、酸中和能力等特性。通过批实验观测了赤泥对水溶液中Pb(Ⅱ)的去除效果,并对Pb(Ⅱ)初始浓度、pH等影响因子对去除效果的影响展开了分析。结果表明,赤泥的主要化学成分为CaO、SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃,平均比表面积为43.8 m²·g⁻¹;赤泥有很强的酸中和能力,对硝酸的中和能力约为1.875 mol·kg⁻¹。初始pH=4,且过程中不控制pH时,反应在10 min之内达到平衡,去除率为98%~100%,赤泥对Pb(Ⅱ)的去除能力可达到25.9 mg·g⁻¹。当pH=4时,赤泥对水溶液中Pb(Ⅱ)的去除反应在90~120 min时达到平衡,去除率为10%~45%,当初始浓度为1~100 mg·L⁻¹时,Pb(Ⅱ)初始浓度越高,Pb(Ⅱ)去除能力越强,去除率越低。当pH为7和10时,Pb(Ⅱ)去除率分别为92%和98%,残留Pb(Ⅱ)浓度小于污水综合排放标准中第一类污染物最高允许排放浓度1.0 mg·L⁻¹。通过分析可知,赤泥对Pb(Ⅱ)的去除符合拟二级动力学模型,吸附机理主要为化学吸附。     

聚氨酯泡沫的改性及其在臭气治理中的应用

通过将不同类型的纤维添加到聚氨酯原始配方中进行发泡,制得增强型聚氨酯泡沫,将其作为除臭微生物生长载体,用于生物除臭实验中。考察了不同类型的纤维的长度和数目对聚氨酯泡沫的压缩强度、抗湿热老化性能、保水率、挂膜量及其除臭效果的影响。结果表明：3 mm短玻璃纤维聚氨酯压缩性能、抗湿热老化性能和挂膜性能最佳,其挂膜干物质达到0.90 g;甘蔗纤维聚氨酯吸水性能和挂膜能力较优,但保水性能一般;木质纤维聚氨酯的吸水性能和保水率最优。以短玻璃纤维聚氨酯为生物滤塔填料进行实验,结果显示对高负荷区硫化氢和氨的平均去除率分别约为94%和77%,优于市售除臭填料,具有良好的生物除臭应用前景。     

酸根离子对铝板电絮凝处理含镍废水的影响

电絮凝是去除废水中重金属离子的有效技术。本研究考察了常见酸根离子SO42-、Cl-、NO3-和H2PO2-对铝板电絮凝除Ni2+的影响。结果表明,SO42-、Cl-、NO3-均有利于Ni2+的去除,其中由于NO3-的还原可提高铝阳极溶解效率,因此,当其浓度从0.0186增至0.186 mol/L时,反应30 min后Ni2+去除率从77.9%升至99.8%。H2PO2-会降低絮体絮凝活性并钝化电极,从而显著降低Ni2+去除率,其浓度从0.0186 mol/L增至0.372 mol/L,反应60 min后Ni2+去除率从91.7%降至30.5%。另外,对各阴离子存在下溶解态铝絮体聚合度以及电解过程pH的检测,进一步揭示这4种离子对电絮凝影响机制。