基本信息
- 项目名称：
- 秸秆基阴离子吸附剂研制及在水处理中的应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 以农业废弃物农作物秸秆（麦草秸秆等）为原料通过化学改性（利用环氧氯丙烷、三乙胺等）制备秸秆吸附剂。此吸附剂能有效去除使水体富营养化的硝酸盐和磷酸盐，对NO3-和PO43-的最大吸附量大于50mg/g，明显高于商业活性炭及大部分离子交换树脂；具有设备简单、效果稳定、投资少等优点。秸秆吸附剂吸附饱和后可作肥料还田，以提高土壤的肥力。该产品使农业固体废物资源化，且解决了水体富营养化等问题，实现以废治废。
- 详细介绍：
- 用环氧氯丙烷、二乙烯三胺和三乙胺等对麦草秸秆及棉花秸秆进行化学改性, 制备改性麦草秸秆和改性棉花秸秆阴离子交换树脂，研究改性树脂的性能指标并分别考察改性麦秸树脂对水体中NO3-和改性棉秆树脂对水中PO43-的吸附性能及效果. 研究结果表明, 改性树脂引入了带正电荷的胺基基团, 可以显著提高对NO3-和PO43-的吸附性能；拉曼光谱及zeta电位分析证明改性树脂对NO3-和PO43-的吸附机理为离子交换；吸附过程符合Langmuir等温吸附模式；阴离子吸附剂的最大吸附量：对硝酸根的最大吸附量大于50mg NO3-/g吸附剂；对磷酸根的最大吸附量大于50mg PO43-/g吸附剂；在对硝酸根和磷酸根的吸附率达到90%的条件下，阴离子吸附剂可重复利用多次。秸秆吸附剂吸附饱和后可作为肥料还田，以提高土壤的肥力。该产品不仅使农业固体废物的资源化，而且可以解决水体富营养化及城市污水处理厂的脱氮除磷问题，实现以废治废。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1、主要目的：通过对麦草及棉花秸秆化学改性研制阴离子吸附剂，使其能高效低成本吸附使水体富营养化的硝酸根、磷酸根，实现以废治废。 2、基本思路： 选用麦草及棉花秸秆为研究对象，针对纤维结构特性研究化学改性合成方法，制备吸附剂。 表征秸秆改性前后比表面积、孔径等变化，研究合成机理。 在不同pH、温度等条件下，研究其结构性能与去除磷酸根离子和硝酸根离子效果间的关系，探讨吸附机理。 研究吸附等温线，根据吸附热力学模型计算热力学参数；研究吸附动力学模型。 通过在不同脱附介质、pH等条件下吸附-解吸循环试验，研究吸附剂吸附容量变化及稳定性，完善再生技术，提高再生效率及使用次数。研究吸附剂对实际水样处理效果。 3、创新点 对麦草及棉花秸秆通过化学改性研制阴离子吸附剂，深入系统地对该类吸附剂构效关系、吸附效果和影响因素等进行应用研究目前国内外尚未报道；研制出阴离子吸附剂吸附富营养化水体中的硝酸盐和磷酸盐饱和后可作肥料还田，提高土壤的肥力。该研究实现了以废治废和农业固体废物资源化，符合循环经济。 4、技术关键： 阴离子吸附剂合成方法研究及工艺和参数优化，研制开发高效能对环境友好的阴离子吸附剂；明确阴离子吸附剂结构、比表面积等特征与吸附阴离子效果之间关系。 5、主要技术指标：制备出环境友好的阴离子吸附剂； 阴离子吸附剂的带有正电荷,阴离子吸附剂最大吸附量：对硝酸根和磷酸根最大吸附量大于等于50mg；在对硝酸根和磷酸根的吸附率达90%的条件下，阴离子吸附剂可重复利用多次。
科学性、先进性
- 研制出的吸附剂能高效低成本去除富营养化水体中的硝酸盐和磷酸盐，吸附饱和后可作肥料还田，提高土壤的肥力，实现以废治废，符合循环经济，贡献绿色GDP。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、图片、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.特点和优势： 该改性麦秸阴离子吸附剂去除富营养化水体中的硝酸盐和磷酸盐饱和后可作肥料还田，提高土壤的肥力。该研究实现以废治废和农业固体废物资源化，符合循环经济。并且能高效低成本地去除水中的污染离子，具有设备简单、效果稳定、投资少等优点。 用于水处理可明显改善水体环境质量。通过高效低成本地吸附去除水体中的硝酸根、磷酸根等阴离子，可解决水体富营养化及脱氮除磷问题，为改善水体的环境质量做出贡献。 2.市场分析和经济效益预测： 每吨改性农业秸秆阴离子吸附剂的生产成本：以年产5000吨改性农业秸秆阴离子吸附剂为例，若售价按4500元/吨计(一般市售阴离子交换树脂的价格约7000元/吨)，则年产值为2250万元，年利税为697.5万元，其中税金为140万元，利润为557.5万元。可见其经济效益是十分显著的。 改性农业秸秆阴离子吸附剂处理城镇污水成本：在改性小麦秸秆重复使用12次的情况下，吸附去除NO3-和PO43-的处理成本分别为0.11和0.03元/吨污水，具有较低的处理成本。
同类课题研究水平概述
- 目前，我国水资源受到了不同程度的污染，且有不断加剧的趋势，大量未经处理的工业和生活污水的排放，严重污染了江河、湖泊和沿海海域的水质，更加剧了水资源的紧张程度。尤其是我国的江河湖泊面临着严重的富营养化问题，如2007年太湖、滇池等湖泊蓝藻爆发对城市用水安全再次敲响了警钟，其中氮、磷元素是造成我国水体富营养化的主要污染因子，尤其氨氮、亚硝酸盐氮，硝酸盐氮，磷酸盐是水体富营养化最为关键的因素，如何高效、低成本地去除水中的氮磷，解决水体的富营养化，已成为当前研究工作的重点之一。 水和废水的处理有生化法、离子交换法、吸附法、化学氧化法、电渗析法和絮凝沉降法等多种方法，其中吸附法应用非常广泛，而活性炭是最常用的吸附材料。但活性碳价格高，再生困难，使其在实际的废水处理中受到限制，为了降低成本，寻找廉价、高效的吸附剂来部分替代活性炭用于废水的处理，一直是国内外学者的研究课题。 农业固体废物以其丰富、廉价的生物资源得到了各国的普遍重视。利用农作物秸秆制备新型吸附剂、离子交换剂等环保材料是近年来环境材料领域的研究热点。据国外最新报导，用麦草、水稻、玉米等农作物秸秆改性制备的吸附剂对于被油泥污染土壤的修复、染料废水、重金属及各种阴离子废水的处理具有很好的效果。 我国目前在农作物秸秆改性制备新型吸附剂的研究较少，与国外相比有较大差距，仅有少量关于水稻秸秆、植物秸秆、红麻纤维改性制备重金属吸附剂方面的研究。而将农作物秸秆制备成阳离子型吸附剂用于磷酸根和硝酸根污染水体的修复的研究还鲜有报导。 本实验以较为常见的农业固体废物例如麦草和棉花秸秆为原料，利用环氧氯丙烷、三乙胺等制备含季胺盐的农作物秸秆吸附剂，探讨改性秸秆吸附剂对磷酸根和硝酸根的吸附特性及吸附稳定性，并借助zeta电位及拉曼光谱等表征手段，通过分析改性秸秆吸附磷酸根和硝酸根后的电荷及键合变化，确定改性秸秆对磷酸根和硝酸根的吸附机理。结果表明：本实验改性秸秆吸附剂对磷酸根和硝酸根的最大吸附容量大于50mg/g，明显高于商业活性炭及大部分离子交换树脂；其对磷酸根和硝酸根的吸附特性具有吸附速率快（<7 min）, 稳定性高，可再生等特点。
