甘蔗纤维表面胺化规律及对重金属离子吸附性能研究

Sugarcane fiber is a major by-product of the sugar industry, which is a non-toxic, economic, renewable and biodegradable resource. The aim of this research is to prepare the amine-rich bagasse-based adsorbent material by grafting copolymerization, using microwave ultrasonic UV combination catalytic and some-like technologies. The residual heavy metal ion concentration in the solution can be reduced to ppb level after being treated by the adsorbent material, which has a large amount of amine group that possess strong affinity for heavy metal ions. The research contents of this project includes pretreatment and purification of bagasse, screening of grafting monomer, optimization of preparation conditions, investigation of the relationship between amination law and surface ultrastructural changes of sugarcane fiber, characterization of adsorption performance for heavy metal ions, discussion of adsorption mechanism. The adsorbent material has large adsorption capacity, low residual heavy metal ion concentration after treatment. It overcomes the disadvantage of conventional methods such as precipitation, coagulation that unable to remove heavy metal ions to a low level, which presents good prospects for application in industrial wastewater treatment. This project can provide a scientific basis and technical support for efficiently utilizing and sustainable development of renewable resources biomass.

甘蔗纤维是制糖工业的主要副产品，是一种经济无毒，可再生和降解的生物质资源。本项目旨在利用微波超声波紫外光组合催化等技术，通过接枝聚合反应对甘蔗纤维进行改性制备富含胺基的吸附材料，借助胺基对重金属离子强的亲和力，用于对重金属离子的吸附去除，有望将重金属离子浓度降低至ppb级。项目的主要研究内容包括对甘蔗纤维进行预处理及纯化，筛选合适的接枝单体，优化接枝条件，研究甘蔗纤维表面超微结构变化及胺化规律、评价改性甘蔗纤维对重金属离子的吸附性能，揭示该类材料对重金属离子的吸附机理。富含胺基甘蔗纤维吸附材料吸附容量大，重金属离子残留率低，有效地克服了常规方法如沉淀法、混凝法等无法将重金属离子去除到较低水平的缺点，在工业废水的治理方面有较好的应用前景。本研究可为生物质可再生资源的高效利用和可持续发展提供科学基础和技术支撑。

蔗渣纤维是丰富的可再生资源，纤维表面含有大量羟基。由于活泼羟基的存在，也使其在分子链间和分子链内部广泛形成了氢键，这种羟基覆盖的结构影响了其反应活性，使交换吸附容量甚微，因此必须对它进行改性，以提高其交换容量。项目的主要研究内容包括蔗渣纤维预处理工艺选择及优化，接枝胺类单体的筛选，接枝条件优化及接枝率与比表面积的影响，对重金属离子的吸附性能研究，甘蔗纤维比表面积与吸附规律研究，吸附机理研究、脱附和再生使用性能研究，并将该改性蔗渣用于CO2的吸附评价，还对材料制备进行了中试实验。结果表明，采用乙酸对碱处理过的蔗渣进一步预处理后，可以增加蔗渣纤维的可及度和活性位点展示度，随着比表面积增加，蔗渣接枝丙烯酰胺的接枝率也升高，最优接枝条件下接枝率高达200%左右。推测改性蔗渣吸附汞离子的吸附机理主要是通过两个胺基和一个汞离子的螯合吸附来实现。通过蔗渣纤维表面结构变化对甘蔗纤维接枝率的影响，揭示了该类材料对重金属离子的吸附机理，为生物质可再生资源的高效利用和可持续发展提供了科学基础和技术支撑。动态吸附实验数据表明，1kg改性蔗渣能吸附12吨含100ppm重金属离子废水，对汞离子和铬离子的吸附去除后的重金属离子出口浓度降低至ppb级。有效地克服了常规方法如沉淀法、混凝法等无法将重金属离子去除到较低水平的缺点，在工业废水的治理方面有较好的应用前景。