制药残渣水热炭化耦合碱刻蚀制备炭材料及其印染废水净化应用研究
作者单位：山东大学
学位级别：硕士
导师姓名：王文龙;张新雁
授予年度：2023年
学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学]
摘 要：“双碳背景下,化石碳资源利用逐渐减少,有机固废成为重要的碳资源之一,实现有机固废的高效资源化利用成为关键问题。中国医药工业制药残渣固废的年排放量巨大,来源广泛,并含有较多的芳烃类有机物质,具有开发成为优质炭材料的潜力。制药残渣含水率高,黏度大,成分复杂,常规热解处理能耗高,且废气污染严重,亟待开发经济可行、环境友好的处置技术。水热炭化(HTC)技术反应条件温和,处理高湿有机物的能耗低、产炭率高、产物性能稳定,与制药残渣的处置思路具有极高的适配性,是一种极具优势的处理制药残渣的手段。本文创新性地提出了一种利用HTC技术耦合碱刻蚀处理制药残渣的方法,有效对制药残渣进行资源化减量化处置,得到吸附性能良好的水热炭,且无需添加助剂即可具备磁分离特性。探究了水热条件及碱刻蚀浓度对制药残渣水热炭理化特性的影响,进一步将水热炭高值化应用于印染废水净化处理领域,探究水热炭对水体单组分及多组分污染物的吸附性能及机制。本文秉持“以废治废的发展理念,探究开发制药残渣水热炭的工业化应用潜力。全文开展的主要工作如下:首先,进行了制药残渣碱刻蚀水热炭的制备。针对制药残渣的特点及处置利用难题,选用HTC技术作为处置制药残渣的基本手段。前期确定适宜的HTC反应固液比,采用HTC技术制备制药残渣水热炭,验证了 HTC技术在处置制药残渣方面的适配性及可行性。讨论了 HTC反应条件对水热炭理化特性的影响,对材料本身理化特性做出表征分析。制药残渣经HTC处理后得到表面为“鳞片状结构的典型介孔磁性水热炭,比表面积可达78.7 m2/g。在此基础上,进一步耦合KOH溶液对水热炭进行刻蚀处理,可有效增大水热炭的表面粗糙度,调控水热炭的理化特性。HTC反应过程中,制药残渣原料中所含的丰富铁元素被有机物还原为磁性Fe3O4,赋予水热炭一定磁分离特性。其次,基于制药残渣碱刻蚀水热炭的理化特性,将水热炭作为水体吸附剂应用于印染废水净化领域。分别探究了碱刻蚀水热炭对单组分污染物亚甲基蓝(MB)和多组分污染物(MB、Pb2+、Cd2+)的吸附性能。碱刻蚀水热炭对单组分污染物MB的吸附实验过程中,最佳的实验条件参数为:HTC温度为260℃,HTC时间为2h,KOH溶液刻蚀浓度为1 mol/L。得到碱刻蚀水热炭的比表面积最大为54.64 m2/g,对MB的吸附量为34.8mg/g,去除率可达89.6%。碱刻蚀水热炭多组分污染物吸附过程中,KOH溶液刻蚀浓度为3 mol/L时,水热炭的综合吸附性能最佳,此时,MB的去除率最高为81.2%,Pb2+的去除率均在99%,Cd2+的最高去除率为84.0%。MB、Pb2+和Cd2+的动力学吸附过程均可以用伪二级动力学模型进行恰当描述,MB、Pb2+的等温吸附过程均可以用Langmuir模型进行描述。吸附实验表明,制药残渣水热炭在去除印染废水中污染物方面具有良好的兼容性与通用性。最后,氨糖固废与制药残渣共水热反应提高水热炭的吸附性能。将高含碳量和高含氮量的氨糖固废与制药残渣按照不同比例进行共水热反应,在水热炭产物中引入更多的碳元素和氮元素,增加杂原子官能团,有效改善材料表面润湿性,提高炭材料的吸附性能。考察了不同氨糖固废掺杂比例和KOH溶液刻蚀浓度对共水热炭理化特性的影响,实验结果表明,氨糖固废掺杂比例为50%时,Cd2+去除率提升至93.6%。相较于原制药残渣水热炭,共水热炭的综合吸附性能显著提高。氨糖固废与制药残渣进行共水热反应制备水热炭,可有效实现两种工业有机固废的优势互补。本文利用HTC耦合碱刻蚀技术处置制药残渣,成功制备出水热炭并在印染废水净化领域取得良好的效果,有效实现了制药残渣的减量化处置与高值化利用,为工业制药残渣的资源化处置与可持续发展提供了新思路。
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