基于壳聚糖光敏磁性微纳米粒的制备及对水体砷的处理

发布时间：2017-09-25 01:25

  本文关键词：基于壳聚糖光敏磁性微纳米粒的制备及对水体砷的处理

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【摘要】：砷污染是一个全球性的现象,尤其是砷重度污染地区的水体对人体和环境带来了多种不可修复的危害,因此水体中砷的净化处理一直是人们关注和研究的热点。随着生活水平的提高,水体砷的去除标准也日趋严格,因此对于除砷技术和除砷材料也提出了更高的要求,如高效、环保等。本文首先选择了生物可降解、环境友好、价格低廉且具有良好吸附分离功能的壳聚糖作为载体材料,通过反相悬浮交联聚合法将具有光敏效应的Ti02以及具有磁分离功能的Fe304复合,制备出壳聚糖光敏磁性微纳米粒(MTCNPs),对其形貌、粒径大小和对砷的吸附效率进行了研究。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、红外光谱(FT-IR)、振动样品磁强计(VSM)、原子荧光光度计(AFS)对所得的材料进行表征。结果表明,所得的MTCNPs表面粗糙,尺寸较均一且形状较规整,对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的最佳吸附pH值分别为7.0、5.0,最佳吸附温度为40℃C,在0.5 h内可达到较高吸附率。N03、5042-离子在5-50 mol/L浓度范围内,MTCNPs对As(Ⅲ)的吸附效率为95%,而P043-降低了材料35%的吸附率,但对As(V)基本不影响,当Ca2+、Mg2+、Fe3+三种离子的浓度在50～600 mol/L的范围内,对As(Ⅲ)和As(V)的吸附效率分别降低了16.78%、14.38%、12.35%和39.91%、33.25%、38.46%,当Fe3+浓度为2-25 mol/L时,MTCNPs对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附效率基本维持在90%,影响很小。当紫外光照射时,MTCNPs对As(III)的吸附效率可有效增加10%-20%。吸附动力学研究结果表明壳聚糖光敏磁性微纳米粒吸附As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的过程符合二级动力学模型。等温吸附研究表明其对砷的吸附行为遵循Langmuir模型。由于壳聚糖含有-NH2和-OH基团,使其难溶于水,从而限制了其应用。季铵盐化壳聚糖既保留了壳聚糖的结构特点又具有了阳离子聚合物优良的特性,推测对As(Ⅲ)有较好的吸附性。因此首先对壳聚糖进行季铵盐化改性合成壳聚糖季铵盐,继而采用反相悬浮交联聚合法进一步得到季铵盐化壳聚糖复合微纳米粒。通过对实验结果的综合分析得出,取代度为64.47%的季铵盐化壳聚糖复合微纳米粒(MTHCNPs-2)可在较宽的pH范围内使用。通过对比实验可知,NO3-、S042-存在时,MTHCNPs-2对As(Ⅲ)的吸附效率可达95%以上,而P043-降低了22%的吸附效率,但几乎不影响对As(Ⅴ)的吸附,当Ca2+、Mg2+、Fe3+存在时,MTHCNPs-2对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附效率分别降低了20.87%、14.13%、38.65%和3.02%、2.78%、55.97%,在低浓度2-25 mol/L时,Fe3+几乎不影响MTHCNPs-2对砷的吸附效率。二级动力学模型和Langmuir模型能很好地描述MTHCNPs-2吸附As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的过程,并且在313 K时对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的最大吸附容量分别为33.864 m∥g和34.614mg/g。在经过10次吸附-解吸循环后吸附效率仅降低了7.55%,说明该材料具有很好的可重复利用性。在前面工作的基础上,我们也对材料吸附水体中的砷进行了动态研究。设计吸附装置为固定玻璃柱上流式离子交换器,填充季铵盐化壳聚糖复合微纳米粒(MTHCNPs-2)为吸附材料。结果表明,MTHCNPs-2对三价砷具有很高的柱吸附效率,吸附柱体积数达到660。低浓度下5 mg/L的P043-对MTHCNPs-2吸附三价砷不产生影响,当浓度高达50 mg/L时,材料的吸附率降低了35%,但地下水中的P043-浓度一般都很低(≤0.2 mg/L),所以P043-的存在不会影响材料的吸附性能。当Fe3+浓度为25 mg/L时,也几乎不影响材料的吸附性能。经过解吸之后,材料仍有很好的吸附性能,为处理含砷的污染水降低了成本。上述研究表明,所制备的吸附材料有望应用于小型设备和仪器,从而应用于“点处理整治方案”,为水体砷的净化处理提供一种简单有效的技术。
【关键词】：壳聚糖 壳聚糖季铵盐 壳聚糖季铵盐复合微纳米粒 砷 吸附 柱效 再生
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X52;TB383.1
【目录】：

• 摘要2-4
• Abstract4-11
• 第一章 前言11-29
• 1.1 引言11
• 1.2 砷元素及其化合物的来源11-12
• 1.2.1 砷的存在形态及毒性11-12
• 1.3 国内外除砷技术的研究现状12-14
• 1.3.1 物理法12-13
• 1.3.1.1 吸附法12
• 1.3.1.2 絮凝吸附-沉淀法12
• 1.3.1.3 膜技术12-13
• 1.3.2 化学法13-14
• 1.3.2.1 离子交换法13-14
• 1.3.3 生物法14
• 1.4 砷净化材料的研究进展14-17
• 1.4.1 稀土与黏土材料15
• 1.4.2 复合材料15
• 1.4.3 活性材料15-16
• 1.4.4 矿物材料16
• 1.4.5 纳米材料16-17
• 1.5 壳聚糖基微纳米粒的制备及应用17-22
• 1.5.1 壳聚糖的简介17
• 1.5.2 二氧化钛17
• 1.5.3 磁性材料的制备17-19
• 1.5.3.1 共沉淀法17-18
• 1.5.3.2 水热法18
• 1.5.3.3 微乳液法18
• 1.5.3.4 热分解法18-19
• 1.5.4 壳聚糖基复合微纳米粒的制备方法19-20
• 1.5.4.1 乳化交联法19
• 1.5.4.2 喷雾干燥法19
• 1.5.4.3 包埋法19-20
• 1.5.4.4 原位法20
• 1.5.5 壳聚糖基复合微纳米粒在水处理中的应用20-22
• 1.5.5.1 含金属离子的污水处理20-21
• 1.5.5.2 染料污水处理21
• 1.5.5.3 其它污水处理21-22
• 1.6 选题意义和目的22
• 1.7 创新点22
• 1.8 参考文献22-29
• 第二章 壳聚糖光敏磁性微纳米粒的制备及其吸附砷的研究29-47
• 2.1 引言29-30
• 2.2 实验部分30-34
• 2.2.1 原料及试剂30-31
• 2.2.2 仪器设备31
• 2.2.3 Fe_3O_4的合成31-32
• 2.2.4 壳聚糖光敏磁性微纳米粒(MTCNPs)的制备32
• 2.2.5 As(Ⅲ)与As(Ⅴ)储备溶液的配制32
• 2.2.6 As_2O_3标准曲线的测定32
• 2.2.7 壳聚糖光敏磁性微纳米粒除砷效率的研究32-34
• 2.2.7.1 初始pH影响32-33
• 2.2.7.2 时间影响33
• 2.2.7.3 共存离子影响33
• 2.2.7.4 紫外光影响33
• 2.2.7.5 吸附剂剂量影响33
• 2.2.7.6 初始砷浓度和温度影响33-34
• 2.2.8 表征方法34
• 2.3 结果与讨论34-45
• 2.3.1 Fe_3O_4的表征34-35
• 2.3.2 微纳米粒的FT-IR35-36
• 2.3.3 MTCNPs的形貌表征36
• 2.3.4 MTCNPs的磁性分析36-37
• 2.3.5 标准曲线37
• 2.3.6 初始pH影响37-38
• 2.3.7 时间影响38-39
• 2.3.8 共存离子影响39-40
• 2.3.9 紫外光影响40-41
• 2.3.10 吸附剂剂量影响41-42
• 2.3.11 初始砷浓度和温度影响42
• 2.3.12 吸附动力学研究42-44
• 2.3.13 等温吸附研究44-45
• 2.4 小结45
• 2.5 参考文献45-47
• 第三章 季铵盐化壳聚糖复合微纳米粒的制备及对砷的吸附性能研究47-69
• 3.1 引言47-48
• 3.2 实验部分48-52
• 3.2.1 原料及试剂48-49
• 3.2.2 仪器设备49
• 3.2.3 季铵盐化壳聚糖(HTCC)的合成49
• 3.2.4 季铵盐化壳聚糖复合微纳米粒的制备49-50
• 3.2.5 As_2O_3标准曲线的测定50
• 3.2.6 季铵盐化壳聚糖复合微纳米粒除砷效率的研究50-51
• 3.2.6.1 初始pH影响50
• 3.2.6.2 时间影响50
• 3.2.6.3 共存离子影响50-51
• 3.2.6.4 吸附剂剂量影响51
• 3.2.6.5 初始砷浓度影响51
• 3.2.6.6 吸附剂再生实验51
• 3.2.7 表征方法51-52
• 3.3 结果与讨论52-66
• 3.3.1 季铵盐化壳聚糖的取代度分析52
• 3.3.2 壳聚糖及其衍生物的FT-IR52-53
• 3.3.3 复合微纳米粒的FT-IR53-54
• 3.3.4 MTHCNPs的形貌表征54
• 3.3.5 微纳米粒的磁性分析54-55
• 3.3.6 微纳米粒在水中的分散性分析55
• 3.3.7 标准曲线55-56
• 3.3.8 初始pH影响56
• 3.3.9 时间影响56-57
• 3.3.10 共存离子影响57-59
• 3.3.11 吸附剂剂量影响59-60
• 3.3.12 初始砷浓度和温度影响60-61
• 3.3.13 吸附动力学研究61-64
• 3.3.14 等温吸附研究64-65
• 3.3.15 吸附剂的回收与重复利用65-66
• 3.4 小结66-67
• 3.5 参考文献67-69
• 第四章 改性壳聚糖复合微纳米粒对水体砷的应用研究69-77
• 4.1 引言69
• 4.2 实验部分69-71
• 4.2.1 原料及试剂69-70
• 4.2.2 仪器设备70
• 4.2.3 As_2O_3标准曲线的测定70
• 4.2.4 改性壳聚糖复合微纳米粒的柱效研究70-71
• 4.2.4.1 柱吸附效率70
• 4.2.4.2 共存离子影响70-71
• 4.2.4.3 吸附剂再生研究71
• 4.2.4.4 竞争吸附再生研究71
• 4.2.5 表征方法71
• 4.3 结果与讨论71-75
• 4.3.1 吸附装置示意图71-72
• 4.3.2 标准曲线72
• 4.3.3 柱吸附效率72-73
• 4.3.4 共存离子影响73-74
• 4.3.5 吸附剂再生研究74-75
• 4.3.6 竞争吸附研究75
• 4.4 小结75-76
• 4.5 参考文献76-77
• 第五章 结论77-79
• 致谢79-80
• 攻读学位期间发表和即将发表的文章80
• 发明专利80-81

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