梦飞团队作品A.docx
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梦飞团队作品A.docx
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梦飞团队作品A
第三届高校环保科技创意设计大赛
作品名称:
改性锯末生物质吸附材料(A)
学校名称:
郑州大学
院系名称:
化工与能源学院
团队名称:
梦飞团队
第三届高校环保科技创意设计大赛1
一、项目背景4
1.1水污染及危害现状4
1.2现有的污水处理技术及不足5
二、项目概要7
三、产品介绍7
四、改性锯末生物质吸附剂的理化分析8
4.1.材料与试剂8
4.2.仪器与设备8
4.3.方法与测定9
4.4.结果与分析10
五、产品可行性分析12
六、市场分析14
6.1市场调查卷14
6.2数据分析15
七、环境影响评价18
7.1大气环境影响分析18
7.2水环境影响分析18
7.3固体废物影响分析20
7.4生态分析20
八、经济效益分析21
8.1生产工艺运行费用21
8.2原材料费用22
九、社会效益分析22
9.1缓解水资源紧缺局面22
9.2减少大气污染23
9.3产品绿色环保23
一、项目背景
1.1水污染及危害现状
水是地球上万物的命脉所在,水滋润万物、哺育生命、创造文明。
中国水资源的分布极其不均匀。
改革开放二十多年来,我国经济发展快速,但环境污染日益严重,特别是饮用水污染尤为突出。
国度环境部门普查,我国82%的河流受到不同水平的污染;在我国七大水系中,不合适做饮用水源的河段已迫近40%;城市水域中78%的河段难以提供饮用水源;约50%的城市地下水受到污染。
中国的人均水资源占有量低于500立方米,远远低于国际公认的人均所需1000立方米的临界值。
北方许多大中城市因缺水造成工厂停产或限产,损失的年产值达1200亿元,南方一些城市也陆续出现水荒。
目前全国700多座城市中,有400多座缺水,其中严重缺水的有108个,缺水量约为1000万吨/天左右,几百万人生活用水紧张。
据统计,全世界污水排放量已达到4000亿立方米,使5.5万亿立方米水体受到污染,占全世界径流总量的14%以上。
污染的水对人体的影响有很多不利的因素:
人体中70%—80%是水分,因此长期饮用不良的水质,而导致体质不佳抵抗力自然减弱,则百病发生乃必然,再者长期累积污染物到达身体无法承受时,再高明的医生、再有效的药物恐怕也难奏效,所以“水是百药之王”的说法一点都不假。
常见的饮用水水质项目对人体健康的影响:
铅:
对肾脏、神经系统造成危害,对儿童具高毒性,致癌性已被证实。
镉:
对肾脏有急性之伤害。
砷:
对皮肤、神经系统等造成危害,致癌性已被证实。
汞:
对人体的伤害极大,伤害主要器官为肾脏、中枢神经系统。
硒:
高浓度会危害肌肉及神经系统。
近年来美国环境保护署(EPA)针对1971-1994年间由水所引起的疾病进行一项调查,在740件案例中,其中因原生动物所引起共148件,共有448,486人因而致病,是所有原因中最高者。
研究发现,原生动物种类中以隐孢子虫及梨形鞭毛虫二种需要特别注意,最常出现在游憩风景区及畜牧养殖地区,其中又以养猪、养鸭二种最多。
统计也显示,23年内所造成的死亡病例共89件,而原生动物造成的死亡案例高达70件。
水不仅是生命之源,对人类极其重要,而污染又是这样厉害。
因此我们更应该预防和保护好水资源,合理并利用好水。
1.2现有的污水处理技术及不足
现代污水处理技术,按处理程度划分,可分为一级、二级和三级处理。
一级处理,主要去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质;二级处理,主要去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质(BOD,COD物质),去除率可达90%以上,使有机污染物达到排放标准;三级处理,进一步处理难降解的有机物、氮和磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等。
主要方法有生物脱氮除磷法,混凝沉淀法,活性炭吸附法,离子交换法和电渗分析法等。
由于不同方法的应用原理不同,具有着本身的缺陷,不能做到消耗少、干净、无污染等。
1.2.1离子交换法和电渗法
离子交换法:
借助于固体离子交换剂中的离子与稀溶液中的离子进行交换,以达到提取或去除溶液中某些离子的目的。
电渗分析法电渗析法是利用电场的作用,强行将离子向电极处吸引,致使电极中间部位的离子浓度大为下降,从而制得淡水的。
这俩种方法均是用电进行污水的三级处理的。
对于处理每吨的污水,它们耗能大、不安全、。
离子交换法所用的离子交换树脂价格贵。
1.2.2混凝沉淀法
混凝沉淀法:
加入混凝剂促使污染物质快速、大量沉淀。
这种方法只能除去大量存在的物质,不能进行进一步的处理除去其他的杂质。
而且,在污水中加入的混凝剂有可能对水再一次的污染,操作工艺复杂、水处理成本高。
1.2.3生物脱磷法
生物脱磷法:
在嫌气和好气性两种条件下进行曝气,在好气过程中把嫌气过程中从活性污泥释放出来的磷超量的吸收到污泥里,并以过剩污泥形式除去(如A/O法等);另外在嫌气条件下放出的含有高浓度磷的上清液中加入絮凝剂,使磷凝聚沉淀出来。
这种方法除去磷有很好的效果,但它具有局限性。
另外,处理时间长、适用范围小。
1.2.4活性炭吸附法
活性碳吸附法:
直接把活性炭加入到水中,吸附污染物质。
活性炭以木材、煤为原料,生产工艺复杂,其价格昂贵,再生费用高。
二、项目概要
随着染料与印染工业的发展,其生产的废水已成为当前最主要的水体污染源之一。
在众多的染料废水处理技术中,吸附法已越来越受到人们的关注。
本项目是采用化学方法对锯末等生物质进行改性,生产改性锯末为主的生物质吸附剂,应用于印染,纺织等工业及生活污水的处理。
与传统的活性炭吸附剂相比,原料简单易得,成本低,且环境友好,
三、产品介绍
本产品为改性锯末生物质吸附剂,物理、化学性质稳定,不溶于水和有机溶剂,能耐酸碱,使用失效后容易再生。
锯末生物质材料具有多孔性特征,具有很大的比表面积;有丰富的纤维素、半纤维素以及木质素等有机成分,因而具有众多的羟基等官能团,易发生离子交换、络合等作用;具有很强的吸附能力,从而起到净化作用。
我们对原生锯末改性的目的在于使其比表面积和空隙结构在其原生的结构基础上发生改变,向着吸附性能更好的方向发展。
吸附剂吸附效果主要取决于比表面积和空隙结构。
吸附是一种物质附着在另一种物质表面上的缓慢作用过程。
吸附是一种界面现象,其与表面张力、表面能的变化有关。
引起吸附的推动能力有两种,一种是溶剂水对疏水物质的排斥力,另一种是固体对溶质的亲和吸引力。
废水处理中的吸附,多数是这两种力综合作用的结果。
改性后的生物质吸附材料具有取材方便,价格低廉,易于再生等多重优点。
四、改性锯末生物质吸附剂的理化分析
4.1.材料与试剂
4.1.1实验试剂
氢氧化钠、盐酸、柠檬酸、溴化钾(光谱纯)
4.1.2改性锯末生物质材料吸附剂的制备
根据吸附染料的性质,对锯末进行改性。
以锯末为原材料;使用柠檬酸、碱、乙二胺等作为改性剂,同时加入无水乙醇,硝酸铅等进行改性吸附.
4.2.仪器与设备
电子分析天平(HANGPINGJA2003)、调速多用振荡器、高速离心机、数显酸度计、傅立叶变换红外光谱仪、X-射线衍射仪
4.3.方法与测定
4.3.1改性锯末吸附剂的制备
取20~40目的天然锯末,与浓度为0.5M的柠檬酸按草、酸1:
12(W:
V)比例混合并不断搅拌约30min,然后将草、酸混合物在烘箱内50℃下通风干燥,24小时后将温度至120℃并持续90min以进行酯化处理,完毕,冷至室温,用蒸馏水清洗,直至清洗液加入0.1M的硝酸铅后不再变混浊,用过量的0.1MNaOH浸泡并不断搅拌约1h,再用蒸馏水彻底清洗以洗去多余的碱,最后将洗干净的改性稻草吸附剂在50℃下通风干燥至衡重,保存于干燥器内备用。
4.3.2锯末吸附剂负电荷的测定-酸碱滴定法
取天然锯末吸附剂(CRS)和改性锯末吸附剂(MRS)各0.5g,分别放于一50mL锥形瓶内,再各加入25mL0.1N的NaOH溶液,用保鲜膜封口扎紧,以防实验时溶液体积的变化。
将两样品同时在调速多用振荡器上振荡,以使吸附剂上的羧基官能团与NaOH发生中和反应,振速为150rpm。
16~20h后停止反应,通过离心方法获得上清液各10mL,分别加入15mL0.1N的盐酸(加入过量酸的目的是防止溶液对空气中的二氧化碳的吸附)。
将上述两种溶液分别与用柠檬酸准确标定的NaOH溶液(浓度为0.094N)进行滴定。
滴定实验共重复三次。
4.3.3改性前后锯末的IR光谱及X-射线衍射分析
分别取改性前后的锯末各5mg,置于玛瑙研钵中,加入约400mg高纯度溴化钾,充分研磨后用压力机压成透明薄片,在傅立叶变换红外光谱仪上测定其IR光谱。
用X-射线衍射仪测定改性前后锯末的X-射线衍射光谱,测定条件:
X-光管电压50kV,电流40mA,扫描范围5-55°,扫描速度10°﹒min-1,辐射源为CuKa。
4.4.结果与分析
4.4.1锯末改性前后负电荷的变化
三次滴定达等当点时(酸度计测定等当点pH约为8.50左右),所用NaOH溶液的体积见表6。
表6:
锯末改性前后滴定所用NaOH溶液的体积
次数
吸附剂
天然锯末
改性锯末
1
8.05mL
13.92mL
2
8.17mL
14.00mL
3
8.19mL
13.99mL
平均
8.137mL
13.97mL
从表6可推算出:
1g天然锯末吸附剂在滴定实验中消耗NaOH量为:
3.824mmol
1g改性锯末吸附剂在滴定实验中消耗NaOH量为:
6.566mmol
这明显看出酯化后吸附剂上的负电荷(即羧基官能团)的增加。
4.4.2改性前后锯末的IR光谱
图4为天然及改性锯末的IR光谱。
对比天然锯末的IR光谱,可见改性锯末的IR光谱在波数1737cm-1处有一强羰基伸缩振动吸收峰,显然是由引入柠檬酸的羧基产生的。
图4:
改性前后锯末的IR光谱(A:
天然锯末;B:
改性锯末)
4.5.结论
柠檬酸的酯化改性,增加了锯末纤维分子上的羧基官能团的数量,同时pH值对改性锯末吸附染料的影响较小,克服了原生生物质材料不耐酸碱的弱点,从而引起锯末理化性质的改变以提高其对染料的吸附能力。
本研究证实柠檬酸改性锯末是良好的染料吸附剂。
染料溶液的pH值明显影响锯末对染料的吸附,而pH值对改性锯末吸附染料的影响较小,当pH≥3时,改性锯末对染料的吸附达最大值;增加吸附剂量,染料的吸附率也增加,改性锯末用量在≥1.5g/L时几乎能完全去除浓度为250mg/L的印染污水溶液中的染料;增加染料浓度明显影响锯末对染料的吸附,而2.0g/L的改性锯末对浓度为50-450mg/L的印染溶液去除率始终保持在98%以上;增加溶液的离子强度导致染料去除率降低,离子强度对改性锯末的影响大于天然锯末;染料吸附等温线符合Langmuir模式,由Langmuir方程可得天然及改性锯末吸附染料亚甲蓝的能力分别为80.0和270.3mg/g;亚甲蓝的吸附过程符合准一级反应动力学方程;酯化改性使吸附剂粒子内的染料扩散速率常数(kid)大大增加。
五、产品可行性分析
改性锯末物理、化学性质稳定,不溶于水和有机溶剂,能耐酸碱,使用失效后容易再生。
与改性锯末生物质吸附剂相对比,在选择活性炭、硅胶、活性氧化铝等常见吸附剂时,我们必须考虑水温和pH对常规的不利影响,吸附量随水温的升高而减少,随pH值的降低而增大。
而我们的产品,改性锯末将能够轻松应对这些问题。
总体来说,与其他吸附剂相比,改性锯末生物质材料吸附剂具备了以下优点:
●廉价、易得;
●制备工艺简单,耗能少;
●绿色,环保,无二次污染;
●易保存,性质稳定;
●可再生。
因此,改性锯末生物质吸附剂具有较强的可行性。
下面是改性锯末生物质吸附材料对燃料的吸附对比:
图1.改性锯末对中性红的吸附的实验结果对比
(1)为中性红的原溶液
(2)为没有进行改性的锯末吸附后的中性红溶液
(3)为改性锯末吸附后的中性红溶液
图2.改性锯末对结晶紫的吸附的实验结果对比
(1)为结晶紫的原溶液
(2)为没有进行改性的锯末吸附后的结晶紫溶液
(3)为改性锯末吸附吸附后的结晶紫溶液
六、市场分析
6.1市场调查卷
1.水污染问题是否严重?
A严重B不严重
2.水中主要污染物中塑料等白色污染的比重?
A主要B次
3.水中主要污染物中工厂废水废物的比重?
A主要B次
4.水中主要污染物中生活污水的比重?
A主要B次
5.河水状况现在与过去对比是变的?
A浑浊B清澈
6.水的颜色是?
A黑色B绿色C无色
7.水中的沉积物?
A砖渣B垃圾C卵石D淤泥
8.人们认为造成这一后果的主要部门是?
A当地居民B政府C有关企业
9.是否愿意采用新型生物质吸附材料进行污水处理?
A是B否
10.自己对有关水污染问题的见解?
(问答题)
6.2数据分析
经过调查,将数据整理列图显示:
图1水中沉积物的比重
图2认为环境污染严重的人的年龄阶段
图3造成水污染严重的主要部门
根据以上图表及数据显示,被调查者认为我国的水污染问题严重。
水质混浊,大多都成黑色,水中的沉积物多是砖渣和垃圾。
并且,都散发臭味。
几乎所有居民都建议:
①政府应当采取强制措施控制企业,个人对水的污染物的排放量②加强居民对环境保护的意识。
大都建议使用新型生物质材料进行污水处理。
由于中国的政策方针是建立和谐社会,走可持续发展道路。
很重视中国水资源的缺乏和环保,随着工业污水、城镇污水、农业污水的不断的增加。
中国政府在“十一五”、“十二五”规划中,将加大了对污水处理。
故,改性锯末生物质吸附材料具有很大的市场前景。
七、环境影响评价
7.1大气环境影响分析
锯末生物质材料来源广泛易得,诸如锯末,花生壳,柚子皮、秸秆以及粉碎后的一次性筷子等均可以应用。
近年来,农作物秸秆成为新农村污染的重要源头。
每年夏收和秋冬之际,总有大量的小麦、玉米等秸秆在田间焚烧,产生了大量浓重的烟雾,不仅成为农村环境保护的瓶颈问题,甚至成为殃及城市环境的罪魁祸首。
据有关统计,我国作为农业大国,每年可生成7亿多吨秸秆,成为“用处不大”但必须处理掉的“废弃物”。
在此情况下,完全由农民来处理,就出现了大量焚烧的现象。
由于燃烧秸秆,使得空气中烟尘、颗粒物和其他污染物的浓度急剧增加,空气质量迅速下降,不利于人体健康,同时会使能见度下降。
然而在我们的改性锯末吸附剂采用秸秆,一次性筷子等为原材料,其开发和研究将大大缓解这一问题的严重性。
7.2水环境影响分析
如果说,松花江事件标志着中国进入了水污染事故的高发期,那么,2007年入夏以来太湖、滇池、巢湖的蓝藻接连暴发,则标志着中国进入了水污染密集爆发的阶段。
据国家环保总局发布的《2006年环境状况公报》显示,目前我国水污染形势仍然严峻。
江、河、湖泊水污染负荷早已超过其水环境容量。
污水排放量仍在增长,七大江河水质继续在恶化,Ⅴ类和劣于Ⅴ类水所占比例仍很高。
水污染严重河流,依次为:
海河、辽河、淮河、黄河、松花江、长江、珠江。
其中海河劣于Ⅴ类水质河段高达56.7%,辽河达37%,黄河达36.1%。
长江干流超过Ⅲ类水的断面已达38%,比8年前上升了20.5%。
现在工业水污染仍旧突出,仍是江河水污染的主要来源。
湖泊、水库富营养化是导致水污染的重要因素。
由于湖泊、水库的水体流动性差,自净能力低,所以富营养化比较严重,即天然水体由于过量营养物质(主要是指氮、磷等)的排入,藻类及其他浮游生物迅速繁殖,造成水质恶化。
这些营养物质主要来自农田施肥、城市生活污水和工业废水。
改性锯末生物质材料的实际销售对象是污水处理厂,生产管理人员也会根据处理污水的类别、污水处理技术和污水处理后的程度及其效果要求选择吸附材料的种类。
国内污水处理市场主要分为城镇污水处理和工业污水处理,我们的目标市场是包括工业和城镇污水的三级处理。
在污水进行一、二级处理的基础上进一步处理难降解的有机物、氮和磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等。
使水到达各个污水处理厂所要求的标准。
目前,三级处理包括生物脱氮除磷法,混凝沉淀法,砂滤法,活性炭吸附法,离子交换法和电渗析法。
与离子交换法和电渗析法相比较,我们的产品具有环保、减少能耗等优点;与混凝沉淀法相比较,我们的产品不在水中加入化学品,操作简单、环保、降低水处理的成本;与生物脱氮除磷法相比较,我们的产品适用范围广、处理时间短、生产效率高;与活性炭吸附法相比较,我们的产品原料易得价格便宜,性价比高。
总之,我们的产品具有能耗低、节约资源、性价比高等优点。
在污水处理方面将起到良好的推进作用。
7.3固体废物影响分析
以大家熟知的活性炭为例,木质活性炭是指由木材、农作物秸杆、竹材及其加工废弃物和果壳为原料制造的活性炭产品。
矿物质原料活性炭是指由各种煤和石油及其加工产物(包括煤焦油、煤沥青、煤半焦、石油烃类、石油渣油、石油沥表、石油焦等)为原料制成的活性炭。
其它原料的活性炭也可以用合成树酯、废橡胶、废塑料、生活和工业垃圾中的有机物等为原料制造活性炭。
其对固体废弃物的有效利用显而易见。
相对于活性炭而言,我们所倡导的改性锯末吸附剂也是采用锯末,花生壳,柚子皮、秸秆以及粉碎后的一次性筷子等废弃物为原料,以废治废,环保有好。
7.4生态分析
中国生态环境的基本状况是:
总体在恶化,局部在改善,治理能力远远赶不上破坏速度,生态赤字逐渐扩大。
主要表现为:
水土流失严重、沙漠化迅速发展、草原退化加剧、森林资源锐减、生物物种加速灭绝、地下水位下降、湖泊面积减小、水体污染明显加重、大气污染严重、环境污染向农村蔓延。
改性锯末吸附剂不仅可以改善水资源,而且在大气污染、固体废弃物污染等方面也起到一定的改善作用。
八、经济效益分析
由上所述,其一,由改性锯末生物质吸附剂的理化分析,改性锯末用量在不小于1.5g/L时几乎能完全去除浓度为250mg/L的印染污水溶液中的染料;增加染料浓度明显影响锯末对染料的吸附,且2.0g/L的改性锯末对浓度为50-450mg/L的印染溶液去除率始终保持在98%以上。
其二,天然及改性锯末吸附染料亚甲蓝的能力分别为80.0和270.3mg/g。
这些实验均说明改性锯末的处理污水吸附污染物的能力是很强的。
当然,在具体的污水处理系统中,由于污染物成分种类以及含量的不同等,改性锯末的具体净化能力也会有所变动。
但如前实验分析,改性锯末对绝大部分污水的处理能力是能够达到国家标准要求的,可使有毒有害物质降到标准要求含量以下。
8.1生产工艺运行费用
改性锯末生产制造工艺简单,生产设备费用低;原材料采用汽车运输,运输量不大,对道路要求不高;一般投资环境均能满足;产品性质稳定,易保存;生产车间占地面积小,其卫生、温度、湿度等技术要求容易达到。
运行能耗低,水电费用低。
估算每月用水100m3左右,郑州市工业用水价格为2.4元/m3,则每月用水费用为:
100m3*2.4元/m3=2400元。
估算每月用电4500度,郑州市电价为0.56元/度,则每月用电费用为:
4500度*0.56元/度=2520元。
8.2原材料费用
锯末生物质材料来源广泛,易得,如锯末,花生壳,柚子皮,以及秸秆。
并且此类原材料价格很低,在制成吸附剂成品后其价格可以提升到与其他同类产品价格相比稍低的价位,以高性价比的优点得到大的销售量,以及较好的商业利润。
另外还可以采用粉碎后的一次性筷子,其原材料购买金额更是低。
九、社会效益分析
改性锯末生物质吸附剂的使用降低环境污染,并且有较低的能源耗费。
对环境保护、节能等都有着极大的作用。
9.1缓解水资源紧缺局面
据统计,全国近700座城市中就有400座常年供水不足,其中有100余座城市更是严重缺水,如天津、长春、大连、青岛、唐山、烟台等大中城市已受到水资源短缺的严重威胁。
我国首都北京已因供水不足多次提高水价。
改性锯末吸附剂可以进行对污染水的净化处理,该吸附剂的大量生产使用,可以大量净化已受污染的工业用水,进而使废水循环利用。
此即相当于可以再生水,对水生态环境的好处是显而易见的。
这对于解决目前水资源紧缺的局面将发挥一定的作用。
9.2减少大气污染
如前所述,由于燃烧秸秆,使得空气中烟尘、颗粒物和其他污染物的浓度急剧增加,空气质量迅速下降,不利于人体健康,同时会使能见度下降。
而改性锯末生物质材料可以利用秸秆,充分利用这一“废物”,在给农民带来一定的经济利益的同时,很大程度上减少了新农村秸秆燃烧引起的大气污染,也有利于农村环境美化。
9.3产品绿色环保
在能够净化受污染水的同时,改性锯末生物质吸附剂可直接吸附水中污染物,使用时无需在水中加入化学品,不会产生水质的再污染。
该产品本身性质稳定,不会遭到性能破坏后造成环境污染。
并且使用过的产品对环境无直接污染,可重复利用。
该产品符合可持续发展的社会发展要求。
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