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[硕士论文] 王卓琳
制糖工程 广西大学 2019(学位年度)
[博士论文] 张玉华
制糖工程 广西大学 2018(学位年度)
摘要:在服役循环载荷作用下,制糖机械设备中的关键零件会出现早期性能退化、疲劳损伤、裂纹、残余应力等服役损伤,这些损伤是影响制糖设备安全运行的关键因素。因此,对制糖设备的零件服役损伤进行有效的检测与评估,对确保其安全服役具有很大的现实意义。
  利用超声非线性技术对制糖设备中零件的应力、疲劳损伤和疲劳裂纹进行有效的检测和表征。通过对超声非线性技术的试验研究,探究零件在不同服役损伤下的超声非线性响应,分析超声非线性特征参数、材料结构变化和服役损伤之间的关联,利用超声非线性参数对零件的服役损伤进行表征。并利用超声非线性技术对制糖设备关键零件——压榨机齿轮的疲劳累计损伤进行检测。此外,根据超声非线性输出信号的特点,利用现代非线性信号处理技术——混沌分形理论对超声非线性输出信号进行分析,为超声非线性检测技术提供一种有效的分析方法。本文的主要工作包括:
  (1)利用超声非线性技术表征金属零件的应力状态。当金属试件的应力状态增加时,超声非线性系数对应力变化的敏感系数远大于波速的敏感系数;且基于超声非线性系数的应力检测分辨率约为10MPa,而基于波速的应力检测分辨率为30MPa。因此,利用临界折射纵波的非线性特性能够有效的表征金属零件的应力状态。当临界折射纵波的传播方向与应力方向一致时,建立基于超声非线性综合参数的应力预测模型,该模型能够有效的预测试件的应力状态;当临界折射纵波的传播方向与应力方向不一致时(分别沿x1和x2方向),分别建立x1和x2方向上的应力预测模型,再根据平行四边形法则计算主应力的大小和方向,该方法能够有效预测主应力的大小和方向。
  (2)基于混频技术的金属零件疲劳寿命预测和疲劳裂纹检测。对不同疲劳寿命的试件进行共线混频试验,分析混频非线性系数与试件疲劳寿命之间的关系,探究试件微观结构的变化规律,分析混频非线性系数变化的根本原因。并提出混频非线性综合参数,建立基于混频非线性系数的疲劳寿命预测模型,该模型能够有效的预测同规格试件的疲劳寿命。在非共线混频检测中,对疲劳裂纹附近的检测点进行分析,得到混频非线性系数的云图分布图,能够可视化疲劳裂纹附近的疲劳损伤情况。利用共线混频和非共线混频技术相结合的方法,对金属试件内部的不可见疲劳裂纹进行定位和长度测量。
  (3)制糖设备关键零件——压榨机齿轮的早期疲劳损伤检测。对分别处于疲劳成核、微裂纹萌生和扩展、宏观裂纹形成及失效四个阶段的45号钢试件进行超声非线性试验,分析超声非线性系数的变化规律,探究超声非线性系数与材料微观结构之间的关系,建立45号钢疲劳损伤——超声非线性系数——材料微观结构之间的内在联系,为以45号钢为原材料的压榨机齿轮的疲劳损伤检测奠定基础。分别对压榨机齿轮的齿根部和中部进行超声非线性试验,计算不同检测点的二阶和三阶相对非线性系数,对齿轮内部的早期疲劳损伤情况进行评估。齿轮损伤评估结果与齿轮的实际服役状况是相符的。
  (4)超声非线性输出信号的混沌特性分析和Duffing振子检测。超声非线性输出信号是反映金属零件内部损伤、并经过复杂传播的非线性时间序列。为了能够有效的提取其非线性特性,利用混沌分形理论对超声非线性输出信号进行分析,计算其混沌分形特征量,如Lyapunov指数、关联维数和K熵,混沌分形特征值与超声非线性系数具有相似的变化趋势;分析结果表明混沌分形特征值可以有效的表征疲劳裂纹的演化规律,揭示疲劳裂纹扩展的非线性特征。利用改进的Duffing振子对超声非线性输出信号进行分析,不仅能够检测强背景噪声下的二次谐波信号,且能够估计微弱信号的幅值。
[硕士论文] 曾璐璐
制糖工程 广西大学 2018(学位年度)
摘要:广西甘蔗糖厂每年滤泥产量约一百多万吨,是糖厂的一大宗副产物。糖厂处置滤泥的方式大多为低价售卖给农民做基肥,滤泥利用率不高,经济效益低。然而,滤泥具有良好的利用价值和发展潜能,在多方面、多领域均具有深加工的应用。出厂滤泥的高含水率极大的限制了滤泥的深加工和综合利用。对滤泥进行深度脱水干化一方面能进一步回收滤泥中的糖分,减少蔗糖损失,另一方面为进一步对滤泥的高值化利用创造条件,为滤泥的开发利用提供了可能性。
  热压过滤脱水技术将机械脱水与热力脱水技术有机结合起来,具有优于传统机械脱水效能同时能耗低于热能脱水的特点。本文基于热压过滤挤压脱水技术与以蔗渣炉灰做助滤剂的助滤剂强化过滤技术相结合的方法,探究滤泥深度脱水的新途径,研究所设计的脱水技术的特性机理和最佳工艺条件。实验研究内容和结果如下:
  1.开发高压挤压过滤机。针对现有隔膜压滤机处理温度低、隔膜挤压压力低的不足,引进开发了耐温达100℃、挤压压力大40MPa的挤压压滤机。建立基于该挤压压滤机的实验系统。
  2.研究滤泥稀释倍数对脱水效果的影响。改变滤泥稀释倍数进行恒压过滤实验,实验结果表明,滤泥的过滤常数K随稀释倍数的增大而增大。滤泥经稀释后进行热压过滤挤压脱水后,水分大幅度下降,脱水效果显著。滤饼水分最高为47.68%,最低可达38.32%。当滤泥的稀释倍数最小,为3倍稀释时,滤饼的含水量最高。滤泥稀释倍数为6倍时,滤饼的含水量最低。
  3.研究温度对滤泥过滤脱水特性的影响。通过设置温度梯度作出不同温度下滤泥的过滤特性曲线和测定滤饼的含水率,研究滤泥压缩性指数随过滤温度的变化规律及脱水效果与温度的关系。实验表明,滤泥的可压缩性指数随着温度的升高而降低。滤泥的压缩性指数为0.36左右,属于中等压缩性物料。测量滤饼含水率发现,随着温度升高,滤饼水分逐渐降低,最低含水率可达到37.79%。
  4.在确定最佳稀释倍数和过滤温度的基础上,进行蔗渣炉灰助滤强化过滤实验。通过研究灰泥比分别为3.33%、6.67%、10%、13.33%、16.67%对脱水效果的影响实验可发现,适当添加助滤剂能有效改善过滤效率,助滤剂添加过量则会产生不良影响。不同灰泥比的过滤特性实验表明,添加蔗渣炉灰能有效改变滤饼结构和压缩性指数,提高过滤效率。滤泥压缩性指数随着灰泥比的增大而减小。对不同灰泥比的滤饼横截面进行扫描电镜观察,蔗渣炉灰颗粒为多微孔,不规则的块状、片状或条形的小颗粒,蔗渣炉灰颗粒上不规则地分布着大小各异的孔洞,使得蔗渣炉灰轻盈而疏松。因此蔗渣炉灰具有一定的支撑结构的同时又兼具物化吸附性,表现出良好的助滤剂的特征。滤饼疏松多孔,压缩性指数变小,过滤脱水效率高。灰泥比大于10%以后,固体颗粒细小,滤饼结构逐渐变得致密,滤液通道细密,不利于过滤与脱水。
  5.建立滤泥挤压脱水速率数学模型。基于达西理论,从整体流动出发,建立宏观的挤压脱水速率一维模型,模型反映了挤压过程,滤泥干基含水率随时间的变化为:(1+ρr/X∞)2lnX(X0-X∞)/X0(X-X∞)+2ρr(ρr+2X∞)/X0X∞X0-X/X+3ρr/X02X02-X2/X2=X∞KS2(ρ-ρ0)/μ(X0-X∞)
  实验数据与模型预测值比较表明,模型计算值基本反映挤压过程滤泥干基含水量随时间的变化趋势,模型计算值与实验数据平均误差为8.5%。
[博士论文] 李艳红
制糖工程 广西大学 2018(学位年度)
摘要:表面活性位密度分别为0.8site/nm2和2.5site/nm2,PMC-Fe/C复合材料吸附As(Ⅴ)时,材料表面的络合形态主要有≡FeOAsO2OH、≡Fe2O2AsOOH和≡Fe2O2AsO2,并在比较广的pH范围内以≡FeOAsO2OH占优势;吸附P(Ⅴ)时,材料表面的络合形态主要有≡FeOPO3、≡Fe2O2POOH、≡Fe2O2PO2,pH<6时Fe2O2POOH占优势,在pH为6~13时≡FeOPO3占优势;吸附Sb(Ⅲ)时,材料表面的络合形态主要有≡FeOSbOOH、≡FeOSb(OH)2,并且在pH<5时≡FeOSbOOH占优势,在pH>5时≡FeOSb(OH)2占优势。耦合PMC-Fe/C吸附As(Ⅴ)和P(Ⅴ)的CD-MUSIC表面络合模型与As(Ⅴ)和P(Ⅴ)在水溶液的迁移扩散模型(TRANSPORT),可以很好地模拟柱状动态吸附的反应迁移过程和穿透曲线。
  经对比,PMC-Fe/C复合材料的吸附容量高于大部分文献中的同类吸附剂,同时,利用NaOH可以将吸附的As(Ⅴ)、P(Ⅴ)和Sb(Ⅲ)有效解吸下来,再生效率均较高,说明吸附剂可以反复应用,显示出了优越的工程应用潜能。
[硕士论文] 陈华磊
制糖工程 广西大学 2018(学位年度)
摘要:右旋糖酐作为典型的多糖类药物之一,其分子量大小及其分布与其性质及药理活性息息相关,传统制备右旋糖酐的方法“菌体发酵-酸降解-乙醇沉降,对分子量控制效果不理想,很大程度上限制了右旋糖酐在医药领域的推广应用;也有利用超声波的空化效应降解大分子右旋糖酐的研究,但超声降解存在一个“极限”,即超声一般只对极限分子量以上的右旋糖酐有较明显的降解作用;利用双酶(Dextransucrase合成酶和Dextranase分解酶)法定向合成药用右旋糖酐可以很好地对其分子量进行控制,大量获得临床药用所需分子量分布范围的系列右旋糖酐制剂,且产物更均一,产率更高,有很好的产业化应用前景。
  目前,极少有商品级的Dextransucrase合成酶,且合成酶对合成产物右旋糖酐分子量的控制也没有体现专一性。双酶法定向合成对产物分子量及均一性有很好地控制,但这一合成过程的规律还不明确,过程调控与机理还有待深入了解。本课题以Dextransucrase合成酶(DS)为聚合催化剂、Dextranase分解酶(DN)为聚合调控剂、蔗糖为聚合底物构建生物体外右旋糖酐的合成路线,量化研究右旋糖酐聚合过程,探索聚合重复单元、聚合模式及其稳定性,以及双酶体系合成右旋糖酐过程和Dextranase分解酶降解调控过程的规律和特征,揭示高合成通量高转化率定向合成过程的影响因素及控制途径,开展右旋糖酐聚合过程动力学研究。并对比研究了不同初始分子量右旋糖酐的酶降解与超声物理场降解过程,分析评价了两种调控途径的规律及特点,为定向制备右旋糖酐提供理论参考。主要研究内容和结论如下:
  (1)单酶(DS)体系合成右旋糖酐的聚合过程规律研究。以蔗糖为聚合底物、Dextransucrase合成酶为聚合催化剂构建右旋糖酐酶法合成体系,实验结果表明,在本实验的单酶(DS)合成体系中,不同底物蔗糖浓度和不同初始酶量条件下,各个反应时间段的产物右旋糖酐的分子量均主要集中在>106Da与103-104Da这两个范围内,且随着反应的进行,几乎未检测到这两个分子量范围外的右旋糖酐产物,说明右旋糖酐分子量增大模式可能是以简单的葡萄糖基连接成低分子量右旋糖酐片段的慢速模式与以低聚葡萄糖链接枝成高分子量右旋糖酐片段的快速模式同时存在。
  (2)双酶(DS/DN)体系合成右旋糖酐的聚合过程规律研究。以蔗糖为聚合底物、Dextransucrase合成酶为聚合催化剂、Dextranase分解酶为聚合调控剂构建双酶(DS/DN)合成体系,实验结果表明,在本实验的双酶(DS/DN)合成体系中,同一实验条件下,产物右旋糖酐的分子量主要集中同一分子量范围内。但当蔗糖浓度一定,双酶添加量不同时,各反应的产物右旋糖酐的分子量主要集中的分子量范围不同;当双酶添加量一定,蔗糖浓度不同时,产物右旋糖酐的分子量主要集中的分子量范围却接近,表明双酶合成体系定向合成右旋糖酐时,Dextranase分解酶可以很好地调控产物右旋糖酐的分子量。随着反应的进行,合成产物右旋糖酐的均一性也都有所提升。在同一底物浓度、Dextransucrase合成酶添加量条件下,加入Dextranase分解酶的双酶合成体系比单酶合成体系优先检测到右旋糖酐分子片段,且主要集中的分子量范围不同,说明在双酶合成体系下,Dextranase分解酶不仅可以很好地调控产物右旋糖酐分子量,还可能促进了Dextransucrase合成酶对右旋糖酐的聚合。根据酶催化动力学特征分析,发现双酶(DS/DN)体系合成右旋糖酐的合成动力学符合Malhotra模型。
  (3)Dextranase分解酶降解调控过程规律研究。以不同初始分子量的右旋糖酐为底物、Dextranase分解酶为催化剂构建酶降解调控体系,实验结果表明,通过酶降解不仅可以得到低分子量右旋糖酐,还可以提高产物右旋糖酐的均一性;在酶降解的初始阶段,降解作用更加显著,尤其对于较高初始分子量和较低浓度的右旋糖酐样品来讲。在酶降解过程中,高分子量的右旋糖酐片段优先被降解。此外,现有实验条件下,随着降解时间的延长,Dex-270,Dex-1000,Dex-2000和Dex-F四个样品中的104-105Da分子量片段的占比呈增加趋势。不同初始分子量、不同底物浓度和不同酶浓度条件下,右旋糖酐分子量降解动力学均符合二级反应动力学方程。
  (4)酶(DN)降解与超声降解的降解过程规律对比研究。实验结果表明,对于两者降解过程规律而言,样品初始分子量越大,降解作用越明显,而且在降解开始阶段(0-10min),分子量减小最快;右旋糖酐分子量降解动力学均符合二级反应动力学方程。但对于低分子量右旋糖酐而言,酶降解作用比超声降解作用更明显。同时,在分子量降低时,超声物理场降解条件下,右旋糖酐的D值也随着减小;在酶降解条件下,右旋糖酐的D值呈现先增大后减小的趋势,且分子量越大D值越容易达到最大值;反应后期两者均可以提高右旋糖酐降解产物的分子量均一性。样品Dex-F在降解反应的最后,酶降解条件下,高分子量(>106Da)的右旋糖酐被降解完全,而超声降解条件下,高分子量(>106Da)的右旋糖酐却依然存在。相比较而言,酶降解更易得到不同低分子量的右旋糖酐,且分子量范围更集中。
[博士论文] 梁美娜
制糖工程 广西大学 2018(学位年度)
摘要:本文以甘蔗渣为主要原料,采用沉淀一步炭化加热化学改性法,制备了氧化铁/甘蔗渣生物质炭复合吸附剂(N-Fe2O3-BC)、羟基磷灰石/甘蔗渣生物质炭复合吸附剂(HAP-BC)和磁性氧化铁/甘蔗渣生物质炭复合吸附剂(M-Fe3O4-BC),通过实验优化了三种复合吸附剂的制备条件和工艺流程,用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)和傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)对三种吸附剂进行表征;研究了三种吸附剂对水中As(Ⅴ)或Pb(Ⅱ)的吸附性能和吸附机理。取得的主要研究结果如下:
  1.N-Fe2O3-BC、HAP-BC和M-Fe3O4-BC制备工艺条件的优化及其结构表征
  N-Fe2O3-BC制备工艺条件为FeCl3浓度0.15mol/L,铁与甘蔗渣的质量比1∶6,浸渍时间36h,沉淀反应终点pH7.4,炭化温度450℃,炭化时间4h;HAP-BC制备工艺条件为Ca(CH3COO)2浓度0.2mol/L,NH4H2PO4浓度0.06mol/L,钙、磷和甘蔗渣质量比1∶0.29∶6.25,浸渍时间24h,沉淀反应终点pH7.5,炭化温度500℃,炭化时间4h;M-Fe3O4-BC制备工艺条件为FeSO4浓度0.15mol/L,铁与甘蔗渣质量比1∶6,浸渍时间36h,沉淀反应终点pH8.5,炭化温度500℃,炭化时间5h。
  SEM、XRD和FT-IR等表征结果表明,N-Fe2O3-BC主要组成为α-Fe2O3和C,粒径达到纳米颗粒级别;HAP-BC主要组成为Ca5(PO4)3(OH)和C;M-Fe3O4-BC主要组成为α-Fe2O3、Fe3O4和C,具有磁性。N-Fe2O3-BC、HAP-BC和M-Fe3O4-BC的比表面积分别为48.94m2/g、89.52m2/g和81.94m2/g,三种吸附剂的零点电荷分别为4.9、7.1和6.2。
  2.N-Fe2O3-BC、HAP-BC和M-Fe3O4-BC吸附As(Ⅴ)的性能
  N-Fe2O3-BC、HAP-BC、M-Fe3O4-BC对As(Ⅴ)的吸附平衡时间都随初始As(Ⅴ)浓度的增加而延长。pH对三种吸附剂吸附As(Ⅴ)都有较大影响,吸附As(Ⅴ)的最佳初始pH值范围分别为pH4~9(N-Fe2O3-BC)、pH3~9(HAP-BC)、pH3~7(M-Fe3O4-BC)。共存的PO43-、NO3-、SO42-和Cl-离子对三种吸附剂吸附As(Ⅴ)的影响大小顺序不同,其中PO43-对三种吸附剂吸附As(Ⅴ)的影响最大。温度对三种吸附剂吸附As(Ⅴ)的影响各不相同,随着温度的升高,N-Fe2O3-BC对As(Ⅴ)的吸附量基本不变,HAP-BC对As(Ⅴ)的吸附量随着温度的升高而增大,而M-Fe3O4-BC对As(Ⅴ)的吸附量随着温度的升高先增大后减小。Langmuir吸附等温方程适合拟合N-Fe2O3-BC、HAP-BC和M-Fe3O4-BC对As(Ⅴ)的等温吸附过程,在25℃C,三种吸附剂对As(Ⅴ)的最大吸附量分别为9.33mg/g、6.76mg/g和3.61mg/g,其对As(Ⅴ)的吸附量远高于甘蔗渣生物炭对As(Ⅴ)的吸附量,三种吸附剂对As(Ⅴ)的吸附量与其比表面积之间没有相关性。N-Fe2O3-BC、HAP-BC和M-Fe3O4-BC对As(Ⅴ)的吸附都是一个熵推动的自发吸附过程,准二级动力学模型能拟合三种吸附剂吸附As(Ⅴ)的动力学过程。选择低流速、高浓度和高填料层高度有利于三种吸附剂对As(Ⅴ)的动态吸附过程。此外,经过再生的吸附剂仍然保持了较高的吸附容量。
  3.N-Fe2O3-BC、HAP-BC和M-Fe3O4-BC对As(Ⅴ)的吸附机理
  三种吸附剂吸附As(Ⅴ)前后固相的SEM-EDS、XRD、FT-I和XPS表征结果表明,N-Fe2O3-BC和M-Fe3O4-BC吸附As(Ⅴ)的机理包括表面扩散、静电吸引、固相表面络合和溶解-共沉淀。当pH<pHzpc时,各种形态As(Ⅴ)离子通过表面扩散和静电吸引被N-Fe2O3-BC或M-Fe3O4-BC吸附,同时N-Fe2O3-BC或M-Fe3O4-BC固相表面的氧化铁[(Fe(OH)2+和Fe(OH)2+]与H2AsO4-和HAsO42-发生表面络合反应生成Fe(H2AsO4)3和Fe2(HAsO4)3等组分,少量砷酸根与溶解出来的Fe(Ⅲ)反应生成微晶体结构的砷酸铁。当pH>pHzpc时,各种形态As(Ⅴ)离子通过表面扩散和表面络合被吸附,N-Fe2O3-BC或M-Fe3O4-BC表面的含氧官能团参与络合反应。HAP-BC吸附As(Ⅴ)的机理包括表面扩散、静电吸引和固相表面络合:pH<pHzpc时,HAP-BC对As(Ⅴ)的吸附是通过表面扩散、静电吸引和固相表面络合达到吸附目的;pH>pHzpc时,溶液中HAsO42-和AsO43-通过表面扩散和表面络合被吸附。
  N-Fe2O3-BC、HAP-BC和M-Fe3O4-BC的总表面吸附点位分别为10.56、4.56和4.24μC/cm2(I=10-2M NaCl),三种吸附剂与As(Ⅴ)的表面络合模型分别为=S-HAsO4-和=S-H2AsO4、=S-HAsO4-和=S-AsO42-、=S-HAsO4-,表面络合模型的推导结果与XPS分析结果相一致,Stumm表面络合模型能很好地描述水溶液中As(Ⅴ)与三种吸附剂的表面络合反应。
  4.N-Fe2O3-BC和ⅡAP-BC吸附Pb(Ⅱ)的性能
  初始Pb(Ⅱ)浓度对吸附平衡时间的影响不同,随着初始Pb(Ⅱ)浓度的增大,N-Fe2O3-BC对Pb(Ⅱ)的吸附平衡时间缩短,而HAP-BC对Pb(Ⅱ)的吸附平衡时间则延长;pH对两者吸附Pb(Ⅱ)都有较大影响,吸附Pb(Ⅱ)的最佳初始pH值范围分别是pH7~10(N-Fe2O3-BC)、pH4~8(HAP-BC);温度对N-Fe2O3-BC吸附Pb(Ⅱ)的影响较小,但对HAP-BC吸附Pb(Ⅱ)的影响较大,随着温度的升高,HAP-BC对Pb(Ⅱ)的吸附量逐渐增大。Langmuir吸附等温方程更适合拟合N-Fe2O3-BC对Pb(Ⅱ)的等温吸附过程,Langmuir吸附等温方程和Freundlich吸附等温方程均适合拟合HAP-BC对Pb(Ⅱ)的等温吸附过程,在25℃,N-Fe2O3-BC和HAP-BC对Pb(Ⅱ)的最大吸附量分别为17.57mg/g和209.63mg/g。两者对Pb(Ⅱ)的吸附是一个熵推动的自发吸附过程,准二级动力学模型适合拟合N-Fe2O3-BC吸附Pb(Ⅱ)的动力学过程,内部粒子扩散模型适合拟合HAP-BC吸附Pb(Ⅱ)的动力学过程。
  5.N-Fe2O3-BC和HAP-BC对Pb(Ⅱ)的吸附机理
  两种吸附剂吸附Pb(Ⅱ)前后固相的SEM-EDS、XRD、FT-IR和XPS表征结果表明,N-Fe2O3-BC吸附Pb(Ⅱ)的过程包括表面扩散、静电吸引和固相表面络合。N-Fe2O3-BC表面的含氧官能团参与吸附Pb(Ⅱ)的反应过程。HAP-BC去除水中Pb(Ⅱ)的机理主要为表面扩散、静电吸引、表面络合、离子交换、溶解-共沉淀。pH<pHpc时,Pb(Ⅱ)离子主要通过表面扩散和表面络合被吸附,同时,有离子交换、溶解-共沉淀反应。pH>pHzpc时,Pb(Ⅱ)离子主要通过表面扩散、静电吸引和表面络合完成吸附过程。HAP-BC的中含氧官能团参与吸附Pb(Ⅱ)的过程。
  N-Fe2O3-BC、HAP-BC与Pb(Ⅱ)的表面络合模型分别为=SO-Pb+、=SO-Pb+和=SO-Pb(OH),推导的表面络合模型与XPS分析结果相吻合,Stumm表面络合模型亦能很好地描述水溶液中N-Fe2O3-BC、HAP-BC与Pb(Ⅱ)的表面络合反应。
[硕士论文] 蔡可
制糖工程 天津科技大学 2018(学位年度)
[硕士论文] 董金满
制糖工程 吉林农业大学 2018(学位年度)
[硕士论文] 唐想
制糖工程 广西大学 2018(学位年度)
摘要:生物质炭作为良好的吸附剂,是一种孔隙发达的材料,有巨大的比表面积、丰富的含氧官能团以及较大的阳离子交换量。本文以甘蔗渣为原料在450℃、550℃、650℃下制备初始蔗渣生物质炭BC450、BC550、BC650,通过NaOH、HNO3、FeCl3溶液处理后获得改性蔗渣生物质炭,以氨氮去除率为考量指标,筛选出改性效果较佳的改性剂,并在此基础上进行正交试验优化改性制备条件,考察改性前后对蔗渣生物质炭物化性质的影响。探究投加量、温度、时间、pH等因素对改性前后蔗渣生物质炭吸附氨氮的影响以及其对氨氮的吸附动力学与吸附等温线特性,得到以下结论:
  (1)以NaOH、HNO3、FeCl3溶液对BC450、BC550、BC650进行改性,其改性后蔗渣生物质炭对氨氮的去除率分别为63.05%、32.78%、22.08%;46.66%、29.02%、20.28%;40.12%、25.69%、18.88%,故NaOH对不同炭化温度的蔗渣生物质炭的改性效果优于FeCl3、HNO3,因此所选改性剂为NaOH,由正交试验可知,影响NaOH改性效果的顺序为:浓度>时间>体积质量比>温度。NaOH溶液对BC450、BC550、BC650的改性条件均为浓度:3.0mol/L、时间:480min、NaOH溶液与蔗渣生物质炭的体积质量比:45mL/g、温度25℃。
  (2)NaOH改性前后蔗渣生物质炭的产率、CEC、酸性官能团含量随着热裂解温度的升高而减少,其灰分、pH、比表面积都随着温度的升高而升高;且有改性后的上述参数值均大于改性前。由SEM结果表明,改性后蔗渣生物质炭表面形成了中空管状和孔结构,而初始蔗渣生物质炭微观形貌呈片状结构。改性前后蔗渣生物质炭主要以羟基、脂肪族、芳香结构等为主,且表面官能团结构未发生改变。
  (3)考察各因素对NaOH改性前后蔗渣生物质炭吸附氨氮去除率的影响,结果表明,对于改性前后蔗渣生物质炭吸附氨氮的最适投加量均为:0.7g;吸附平衡时间分别为:240min和600min;最适的pH值:9.0。且改性前后蔗渣生物质炭对氨氮的去除率以温度的升高而升高,说明该吸附过程为吸热反应的过程。此外,随着氨氮的初始浓度的升高,其对氨氮的去除率降低。
  (4)NaOH改性前后蔗渣生物质炭对氨氮的吸附符合Langmuir等温吸附模型,且其对氨氮的吸附为均一的单分子层吸附。根据Freundlich等温线的吸附程度n值可知,改性前后蔗渣生物质炭对氨氮的吸附能力良好,易于吸附。
  (5)NaOH改性前后蔗渣生物质炭吸附氨氮的动力学模型拟合采用Lagergren准二级模型,其拟合相关系数较高,R2>0.99,说明其对氨氮的吸附动力学特性用Lagergren准二级动力学模型描述更为真实,可用化学吸附来解释,即改性前后蔗渣生物质炭对氨氮的吸附过程的作用机制涉及到共用电子对或电子转移等化学作用。
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