2011年創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)申報(bào)申報(bào)書(shū)

附件1大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)項(xiàng)目編號(hào)項(xiàng)目名稱(chēng)新型含鋁多層球狀重金屬吸附劑的研究項(xiàng)目主持人徐楊聯(lián)系電在學(xué)院冶金科學(xué)與工程學(xué)院學(xué)號(hào)0505100126專(zhuān)業(yè)班級(jí)工程試驗(yàn)班指導(dǎo)教師劉桂華老師E-mailwillam1943@申請(qǐng)日期2011年9月8日起止年月2011年9月至2012年9月中南大學(xué)填寫(xiě)說(shuō)明1．本申請(qǐng)書(shū)所列各項(xiàng)內(nèi)容均須實(shí)事求是，認(rèn)真填寫(xiě)，表達(dá)明確嚴(yán)謹(jǐn)，簡(jiǎn)明扼要。2．申請(qǐng)人可以是個(gè)人，也可為創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，首頁(yè)只填主持人，均為參加項(xiàng)目的學(xué)生。“項(xiàng)目編號(hào)”一欄不填。3．本申請(qǐng)書(shū)為大十六開(kāi)本（A4），左側(cè)裝訂成冊(cè)?？删W(wǎng)上下載、自行復(fù)印或加頁(yè)，但格式、內(nèi)容、大小均須與原件一致。4．主持人所在學(xué)院認(rèn)真審核,經(jīng)初評(píng)和答辯，簽署意見(jiàn)后，將申請(qǐng)書(shū)（一式兩份）報(bào)送中南大學(xué)創(chuàng)新辦（一辦319）。一、基本情況項(xiàng)目名稱(chēng)新型重金屬離子吸附劑---含鋁復(fù)配物的制備所屬學(xué)科冶金學(xué)科申請(qǐng)金額20000元起止年月2011年9月至2012年9月主持人姓名徐楊性別男民族漢出生年月1991年6月學(xué)號(hào)0505100126聯(lián)系電話(huà)宅：手機(jī)導(dǎo)教師劉桂華聯(lián)系電話(huà)宅：手機(jī)持人曾經(jīng)參與科研的情況指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況主要研究方向氧化鋁生產(chǎn)工藝及理論研究，資源綜合利用和污染治理。主要業(yè)績(jī)對(duì)氧化鋁生產(chǎn)工藝及基礎(chǔ)理論進(jìn)行有創(chuàng)新性研究，參加國(guó)內(nèi)外“九五”重點(diǎn)攻關(guān)及橫向研究三十多項(xiàng)，公開(kāi)發(fā)表論文五十余篇。指導(dǎo)教師對(duì)本項(xiàng)目的支持情況項(xiàng)目組主要成員姓名學(xué)號(hào)專(zhuān)業(yè)班級(jí)所在學(xué)院項(xiàng)目中的分工徐楊050510012610級(jí)冶金工程試驗(yàn)班冶金科學(xué)與工程學(xué)院主持人王舒磊050510013010級(jí)冶金工程試驗(yàn)班冶金科學(xué)與工程學(xué)院記錄員賈航050510012510級(jí)冶金工程試驗(yàn)班冶金科學(xué)與工程學(xué)院分析員項(xiàng)目研究的目的和主要研究?jī)?nèi)容研究目的：一、提高吸附效率傳統(tǒng)的吸附劑或其水解之后生成的固相，粒徑比較大，則比表面積較低，從而大大地降低了吸附效率。而含鋁復(fù)配物可有序分層次緩釋出各種吸附劑，使其始終保持較大的比表面積，可顯著提高吸附效率。二、解決二次污染傳統(tǒng)的吸附、聚沉等方法會(huì)產(chǎn)生工業(yè)廢渣，這些廢渣中含有大量重金屬，堆積掩埋會(huì)造成嚴(yán)重的二次污染，因此需研究一種新型的吸附劑，能夠有效的回收重金屬且吸附劑本身又能再生。而含鋁復(fù)配物吸附重金屬污染物后，在堿性條件下，能自動(dòng)溶解，從而達(dá)到與重金屬分離的目的。不但避免了二次污染的產(chǎn)生，還可對(duì)吸附劑進(jìn)行重復(fù)利用，且有效回收了多種重金屬，防止了資源浪費(fèi)。三、降低污水治理成本目前，各工廠(chǎng)普遍通過(guò)大量投入吸附劑等化學(xué)藥劑進(jìn)行污水治理，且無(wú)法回收及重復(fù)利用，造成了資源嚴(yán)重的浪費(fèi)。將含鋁物質(zhì)融合在一起可有序吸附重金屬，使每種吸附劑都可以被有效地利用。此法可減少原料的投入，且吸附劑可回收重復(fù)利用，因此能有效降低治理成本。研究?jī)?nèi)容：首先研究各種含鋁化合物對(duì)重金屬的選擇性吸附特性及其吸附效率，選擇出合適的含鋁化合物作為主要吸附劑。然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究各含鋁化合物水解特性，確定各種化合物的用量及配比。并根據(jù)重金屬離子的存在形態(tài)，選擇合適的添加劑改變被吸附重金屬化合物表面性質(zhì)，使其更易被吸附。最后，確定出最佳的吸附劑形狀及復(fù)配方式。相關(guān)化學(xué)方程式示意如下：２KAl(SO)4＋H2O===２Al(OH)3＋K2SO4＋３H2SO4PbAl(OH)3＋NaOH→NaAl(OH4)＋Pb↓2NaAl(OH)4＋CO2===2Al(OH)3↓+Na2CO3＋H2O三、國(guó)、內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)水體污染現(xiàn)狀:我國(guó)水體重金屬污染問(wèn)題十分突出，江河湖庫(kù)底質(zhì)的污染率高達(dá)80%。城市河流有35%的河段出現(xiàn)總汞超過(guò)地表水Ⅲ類(lèi)水體標(biāo)準(zhǔn)。46%的河段面總鎘超過(guò)Ⅲ類(lèi)水體標(biāo)準(zhǔn)，25%的河段有總鉛的超標(biāo)樣本出現(xiàn)。全國(guó)近岸海域海水采樣品中鉛的超標(biāo)率達(dá)62.9%，最大值超一類(lèi)海水標(biāo)準(zhǔn)49.0倍；銅的超標(biāo)率為25.9%，汞和鎘的含量也有超標(biāo)現(xiàn)象。作為湖南的母親河，湘江和湘江流域重金屬污染的后果越來(lái)越嚴(yán)重。湘江流域局部的正常供水被打斷，流域內(nèi)4000萬(wàn)人口的飲用水安全受到威脅。近年來(lái)，每年排放入湘江的污水多達(dá)30多億噸，部分支流和河段由于鉛、砷超標(biāo)造成了水生生物絕跡的現(xiàn)象，湖南省水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心對(duì)湘江43個(gè)河段進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)中，只有11個(gè)河段水質(zhì)在三類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)以?xún)?nèi)，達(dá)標(biāo)率僅為25．6％。9年來(lái)，總磷、鉛顯著下降，高錳酸鉀指數(shù)、氨氮、汞污染有弱下降趨勢(shì)，砷污染呈不明顯上升，鎘有顯著上升趨勢(shì)。湘江流域的底泥重金屬元素鎘(Cd)、Pb、銅(Cu)、鋅(Zn)、砷(As)、鉻(Cr)均值除Cr含量低于我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的自然背景值外，其它元素都不同程度的高于自然背景值，六種重金屬元素含量的總體變異程度表現(xiàn)為:Pb＞Cr＞Cd＞Zn＞Cu＞As。僅2007年，湘江流域排放工業(yè)廢水就達(dá)5.67億噸，生活污水11.19億噸。尤其是重金屬汞、鎘、鉛、砷等排放量十分突出，成為湘江治理的心腹之患。目前的治理方法目前已開(kāi)發(fā)應(yīng)用的廢水處理方法主要有化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法，包括化學(xué)沉淀、電解、離子交換、膜分離、活性炭和硅膠吸附、生物絮凝、生物吸附、植物整治等方法?；瘜W(xué)法主要包括化學(xué)沉淀法和電解法，主要適用于含較高濃度重金屬離子廢水的處理?；瘜W(xué)沉淀法的原理是將溶解性的重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗芑螂y溶的金屬化合物，從而將其從水中除去。氫氧化物沉淀法是向重金屬?gòu)U水投加堿性沉淀劑（石灰乳、碳酸鈉等），使金屬離子與氫氧根離子反應(yīng)，生成難溶的金屬氫氧化物沉淀，從而予以分離的方法。設(shè)Mn+表示金屬離子，則：Mn﹢+nOH→M(OH)n。硫化物沉淀法是加入硫化物沉淀劑使廢水中重金屬離子生成硫化物沉淀除去的方法。與中和沉淀法相比，硫化物沉淀法的優(yōu)點(diǎn)是：重金屬硫化物溶解度比其氫氧化物的溶解度更低，而且反應(yīng)的pH值在7—9之間，處理后的廢水一般不用中和。硫化物沉淀法的缺點(diǎn)是：硫化物沉淀物顆粒小，易形成膠體；硫化物沉淀劑本身在水中殘留，遇酸生成硫化氫氣體，產(chǎn)生二次污染。電解法是一種比較成熟的處理技術(shù)，能減少污泥的生成量，且能回收Cu、Ag、Cd等金屬，已應(yīng)用于廢水的治理。不過(guò)電解法成本比較高。物理化學(xué)法主要是通過(guò)離子交換和膜分離技術(shù)，去除水中重金屬離子，適用于含較低濃度重金屬離子廢水的處理。離子交換處理法是利用離子交換劑分離廢水中有害物質(zhì)的方法，應(yīng)用的離子交換劑有離子交換樹(shù)脂、沸石等等，離子交換樹(shù)脂有凝膠型和大孔型。離子交換是靠交換劑自身所帶的能自由移動(dòng)的離子與被處理的溶液中的離子通過(guò)離子交換來(lái)實(shí)現(xiàn)的。推動(dòng)離子交換的動(dòng)力是離子間濃度差和交換劑上的功能基對(duì)離子的親和能力，多數(shù)情況下離子是先被吸附，再被交換，離子交換劑具有吸附、交換雙重作用。由于對(duì)離子交換樹(shù)脂有較高要求，而且成本高、再生劑耗量大，因而在應(yīng)用上受到很大限制。膜分離法是利用高分子所具有的選擇性來(lái)進(jìn)行物質(zhì)分離的技術(shù)，包括電滲析、反滲透、膜萃取、超過(guò)濾等。用電滲析法處理電鍍工業(yè)廢水，處理后廢水組成不變，有利于回槽使用。含Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cr6+等金屬離子廢水都適宜用電滲析處理，已有成套設(shè)備。反滲透法已大規(guī)模用于鍍Zn、Ni、Cr漂洗水和混合重金屬?gòu)U水處理。采用反滲透法處理電鍍廢水，已處理水可以回用，實(shí)現(xiàn)閉路循環(huán)。液膜法治理電鍍廢水的研究報(bào)道很多，有些領(lǐng)域液膜法已由基礎(chǔ)理論研究進(jìn)入到初步工業(yè)應(yīng)用階段，如我國(guó)和奧地利均用乳狀液膜技術(shù)處理含Zn廢水，此外也應(yīng)用于鍍Au廢液處理中。膜萃取技術(shù)是一種高效、無(wú)二次污染的分離技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)在金屬萃取方面有很大進(jìn)展。生物法主要包括生物凝法和生物吸附法。目前開(kāi)發(fā)出具有絮凝作用的微生物有細(xì)菌、霉菌、放線(xiàn)菌、酵母菌和藻類(lèi)等共17種，其中對(duì)重金屬有絮凝作用的有12種。生物吸附法是利用生物體本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)及成分特性來(lái)吸附溶于水中的金屬離子，再通過(guò)固液兩相分離去除水溶液中的金屬離子的方法。利用胞外聚合物分離金屬離子，有些細(xì)菌在生長(zhǎng)過(guò)程中釋放的蛋白質(zhì)，能使溶液中可溶性的重金屬離子轉(zhuǎn)化為沉淀物而去除。生物吸附劑具有來(lái)源廣、價(jià)格低、吸附能力強(qiáng)、易于分離回收重金屬等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。生物絮凝法是利用微生物或微生物產(chǎn)生的代謝物進(jìn)行絮凝沉淀的一種除污方法。生物絮凝劑中的氨基和羥基可與Cu2+、Hg2+、Ag+、Au2+等重金屬離子形成穩(wěn)定的鰲合物而沉淀下來(lái)。應(yīng)用微生物絮凝法處理廢水安全方便無(wú)毒、不產(chǎn)生二次污染、絮凝效果好，且生長(zhǎng)快、易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化等特點(diǎn)。但具有特殊功能的菌株不易選擇，需要較先進(jìn)的技術(shù)，所耗成本太高。植物修復(fù)法是指利用高等植物通過(guò)吸收、沉淀、富集等作用降低已有污染的土壤或地表水的重金屬含量，以達(dá)到治理污染、修復(fù)環(huán)境的目的。利用植物處理重金屬，主要有三部分組成：（1）利用金屬積累植物或超積累植物從廢水中吸取、沉淀或富集有毒金屬；（2）利用金屬積累植物或超積累植物降低有毒金屬活性，從而可減少重金屬被淋濾到地下或通過(guò)空氣載體擴(kuò)散：（3）利用金屬積累植物或超積累植物將土壤中或水中的重金屬萃取出來(lái)，富集并輸送到植物根部可收割部分和植物地上枝條部分。通過(guò)收獲或移去已積累和富集了重金屬植物的枝條，降低土壤或水體中的重金屬濃度。

不過(guò)，對(duì)于修復(fù)的生物，其生物量的增加，生長(zhǎng)周期的縮短，積累的機(jī)理等方面還十分不成熟，需要較長(zhǎng)時(shí)間的研究才能運(yùn)用到實(shí)際中。目前吸附法治理重金屬?gòu)U水所面臨的問(wèn)題1、成本過(guò)高——吸附劑的耗量大，且無(wú)法重復(fù)利用，使污水處理費(fèi)占總生產(chǎn)成本15%~20%。

2、資源浪費(fèi)——污水治理后產(chǎn)生重金屬?gòu)U渣，堆存困難，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。3、環(huán)境污染——工業(yè)廢水中的重金屬為“永遠(yuǎn)性污染物”，污水治理后的廢渣會(huì)產(chǎn)生致命的二次污染。政府重視程度湖南省將出臺(tái)五大政策，治理湘江流域水污染。①責(zé)令各地人民政府按照管理權(quán)限于7月31日前對(duì)永州道縣氮肥廠(chǎng)等16家企業(yè)實(shí)行關(guān)停。②環(huán)保部門(mén)將把對(duì)船舶等水上污染源的監(jiān)管納入工作日程。③湖南省已出臺(tái)《湘江污染防治方案》。為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的生活污水和生活垃圾污染，湖南省政府將在未來(lái)2年內(nèi)，再建9座污水處理廠(chǎng)。④從8月1日起，湘江干流衡陽(yáng)松柏至長(zhǎng)沙月亮島江段兩岸20公里寬的范圍內(nèi)，所有有水污染的項(xiàng)目一律上收由省級(jí)以上環(huán)保部門(mén)審批。⑤逐步完善排污許可證管理方式，杜絕無(wú)證排污。湖南省科技廳副廳長(zhǎng)梁秋松透露，湘江流域綜合整治將納入中國(guó)大江大河治理范圍，預(yù)計(jì)到2010年將投入700億元，到2015年將投入3000億元。四、項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色特色一：通過(guò)吸附劑的有序水解，控制了吸附劑在水體中的濃度，避免了吸附顆粒自身的附聚，可使吸附劑保持較高的比表面積，大幅提高吸附效率。特色二：所用吸附劑與重金屬離子易分離，吸附劑和重金屬都可回收利用，避免了資源浪費(fèi)和二次污染。特色三：含鋁復(fù)配物含有多種吸附劑，可同時(shí)吸附多種重金屬，具有普適性，且合成原理簡(jiǎn)單，有很高的可行性。五、預(yù)期成果和擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題擬解決關(guān)鍵問(wèn)題：水解速度和粒子比表面與吸附效率關(guān)系預(yù)期成果：配制出一種高效、廉價(jià)、易再生、可避免二次污染的用于除重金屬?gòu)U水的含鋁復(fù)配物。六、項(xiàng)目研究進(jìn)度安排1、2011.9至2011.10——理論知識(shí)學(xué)習(xí)。2、2011.11至2011.12——采樣，分析重金屬污染物種類(lèi)及濃度。3、2012.1至2012.2——選擇合適的吸附劑種類(lèi)并研究其吸附行為。4、2012.3至2012.4——配制復(fù)配物。5、2012.5至2012.6——試用產(chǎn)品，根據(jù)實(shí)際情況再進(jìn)行改良。6、2012.7至2012.8——數(shù)據(jù)分析，撰寫(xiě)總結(jié)報(bào)告。七、已有基礎(chǔ)1、有一定分析化學(xué)基礎(chǔ)，可通過(guò)發(fā)射光譜法，原子吸收光譜法，色譜法，等方法對(duì)污水中存在的重金屬種類(lèi)及濃度進(jìn)行檢測(cè)。2、做過(guò)重金屬鹽對(duì)蛋白質(zhì)的破壞實(shí)驗(yàn)，深刻了解重金屬的污染的危害3、有一定無(wú)機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)，了解各種含鋁化合物的物理，化學(xué)性質(zhì)，做過(guò)明礬吸附水中雜質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，對(duì)吸附原理有基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí)。4、掌握銅、銀、鋅、鎘、汞等金屬離子的酸堿性，氧化還原性以及形成配合物的特征以及銅和汞的氧化態(tài)變化。5、有表面化學(xué)基礎(chǔ)，掌握了用流動(dòng)吸附法測(cè)定固體的比表面積。2、已具備的條件，尚缺少的條件及解決方法已具備的條件1、實(shí)驗(yàn)室具備基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)設(shè)施2、具備實(shí)驗(yàn)所需的基本理論基礎(chǔ)，較為詳盡的實(shí)驗(yàn)流程尚缺少的條件及解決方法1、含重金屬污染物的污水解決方法:重金屬冶煉廠(chǎng)附近污染水體取樣2、污水中重金屬的測(cè)試解決方法:利用冶金院的ICP設(shè)備3、吸附劑的吸附行為觀察解決方法:利用能源院的高速照相機(jī)八、經(jīng)費(fèi)預(yù)算開(kāi)支科目預(yù)算金費(fèi)（元）主要用途階段下達(dá)經(jīng)費(fèi)計(jì)