壳聚糖基半互穿网络水凝胶的制备及其对水中腐殖酸的吸附性能

发布时间：2020-03-29 04:40

【摘要】：腐殖酸(HA)是由天然存在的大分子有机质组成的复杂有机物,持久性强可降解性差,是致癌物质的前驱体,这使得人们越来越关注腐殖酸对生物体产生的不利影响。因此,腐殖酸是水体分析中的主要物质之一,有效去除水体中腐殖酸具有重要意义。壳聚糖及其衍生材料生物兼容性好,安全环保,在水处理领域受到越来越多的关注和重视。本论文以构筑高效经济的新型吸附剂为目的,设计和制备出两种新型的壳聚糖基半互穿网络水凝胶材料(聚丙烯酰胺/壳聚糖半互穿网络水凝胶(PAAm/CS s-IPN hydrogel)和聚丙烯酰胺/壳聚糖季铵盐半互穿网络水凝胶(PAAm/HACC s-IPN hydrogel),并将其应用于对腐殖酸的吸附去除研究。研究了各种因素如溶液初始pH、离子强度、接触时间、腐殖酸初始浓度、温度等对吸附的影响,通过对吸附剂材料的表征及吸附实验的结果分析,对其吸附过程和吸附机理进行探讨,从而为壳聚糖基半互穿网络水凝胶环境友好型材料的设计及其在水处理中的应用提供一定的理论参考。主要研究工作有以下两个方面:1.PAAm/CS s-IPN水凝胶的制备、表征及腐殖酸吸附性能研究采用原位加热聚合法制备PAAm/CS s-IPN水凝胶吸附剂,研究了单体摩尔比、交联剂用量、酸用量及引发剂用量对PAAm/CS s-IPN水凝胶吸附性能的影响,通过控制用量,制备出性能优良的吸附剂。对其进行SEM、FT-IR、XRD和TG-DSC表征,吸附剂具有孔状稳定结构且热稳定性得到增强,利于对腐殖酸的吸附。PAAm/CS s-IPN水凝胶吸附剂对腐殖酸表现出优异的吸附性能,能够在3~9的宽pH范围内保持较高的吸附量,一定的离子强度能够促进腐殖酸的吸附。PAAm/CS s-IPN水凝胶吸附剂对腐殖酸的吸附过程符合准二级吸附动力学模型,界面扩散和颗粒内扩散共同作用。吸附符合Sips等温线模型,热力学研究表明,吸附过程为自发的物理吸附,静电作用为主要吸附机理。2.PAAm/HACC s-IPN水凝胶的制备、表征及腐殖酸吸附性能研究将壳聚糖进行季铵化改性合成壳聚糖季铵盐,通过原位加热聚合制备出不同壳聚糖季铵盐含量的PAAm/HACC s-IPN水凝胶,PAAm/HACC s-IPN 1.5和PAAm/HACC s-IPN3。采用SEM、FT-IR、XRD和TG-DSC等手段对其形貌、结构、稳定性等表征。研究这两个吸附剂对腐殖酸的吸附效果。溶液初始pH对PAAm/HACC s-IPN 1.5和PAAm/HACC s-IPN 3吸附剂吸附腐殖酸的影响较大,吸附量随pH的增大大幅减小。离子强度较低时对腐殖酸的吸附有促进作用,离子强度加大后,促进作用开始减弱。PAAm/HACC s-IPN 1.5和PAAm/HACC s-IPN 3对腐殖酸的吸附过程符合准二级动力学方程和Sips等温线模型,吸附热力学研究说明PAAm/HACC s-IPN 1.5和PAAm/HACC s-IPN 3对腐殖酸的吸附为自发的物理吸附。PAAm/HACC s-IPN 3吸附剂腐殖酸吸附量(238.1 mg·g~(-1))要高于PAAm/HACC s-IPN 1.5(176.3 mg·g~(-1)),PAAm/HACC s-IPN 1.5吸附剂吸附量要高于PAAm/CS s-IPN吸附剂(166.3 mg·g~(-1)),它们均高于现有报道的腐殖酸吸附材料的最大腐殖酸吸附量。壳聚糖基半互穿网络水凝胶材料对腐殖酸的良好吸附性能使其可用于水体中腐殖酸污染物的吸附分离,为壳聚糖基半互穿网络水凝胶材料在水处理领域的实际应用提供了理论基础。
【图文】：

腐殖酸的结构模型

腐殖酸,碱性环境,碱性,电荷

图 1-1 腐殖酸的结构模型Fig.1-1 The structural model of humic acid腐殖酸主要是由酚基、羧基、烯醇基、醌基及其他一些功能团，也可能会包含些糖和多肽[9]。腐殖酸结构中普遍存在的是酚基和羧基。一个腐殖酸大分子结构是水部分和亲水部分组成的，疏水部分包含 OH 基团，亲水部分包含脂肪族和芳香族羧基和酚基的存在使得腐殖酸在水溶液中带负电荷[10, 11]。酚基和羧基也使得腐殖酸酸性，从土壤、水体、沉积物中提取出的腐殖酸的总酸性（酚基和羧基酸性）约为 6g-1[12]。醌基是电子受体基团，能够产生活性氧，被还原成的半醌基因其芳香族环而稳定，当被进一步还原成氢醌后甚至更为稳定[13]。有研究表明，腐殖酸的结构会因为所处环境 pH 的不同以及自身浓度的不同而状和盘绕状或类球状间变化[9]。腐殖酸的溶解性随 pH 的升高而增大，，在弱酸溶液中溶，只有在碱性溶液中才会完全溶解[14]如图 1-2[15]。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703

【参考文献】