利用交联法制备改性腐植酸基吸附剂及其性能研究

发布时间：2020-03-29 13:12

【摘要】：随着社会工业化的发展以及重金属的开采冶炼,越来越多的重金属应用到各种工业化生产环节中来,大量的重金属废水随之产生,导致重金属以离子形式进入到生态环境中,并随着生态系统的循环而不断地进行迁移、转化、富集等。不仅对自然环境造成了严重的污染破坏,同时对人类生存也是一项可见且影响长远的威胁。因此,近年来经济高效的重金属废水处理技术研究逐渐成为来科研界的研究热点。以陕西黄陵风化煤为原材料,本着废弃资源二次利用的目的,通过一系列实验分析研究,制备了一种改性腐植酸基树脂吸附剂,并初步考察了该吸附剂对六价铬(Cr(Ⅵ))的吸附效果,旨在探索一种可用于重金属废水处理且吸附性能优良的吸附剂。实验从风化煤煤样中提取腐植酸(HA),包括活化预处理和碱溶酸析法制备两个步骤。选取盐酸浓度、活化时间、碱液浓度、固液比和沸水浴时间为主要影响因素设计正交实验,最终确定腐植酸的最佳提取条件为:盐酸浓度18%,活化时间25 min,碱液浓度0.8 mol/L,固液比1:12,沸水浴时间60 min。在此条件下经过反复实验验证,所得腐植酸提取率最高为48.17%。为改善腐植酸部分水溶性的特点,利用高温钙化法对提取的腐植酸进行改性,制备不溶性腐植酸(IHA)。通过热重分析确定改性过程中最佳高温温度,然后选取高温时间、Ca Cl2溶液浓度、Ca Cl2溶液浸泡时间、Na NO3溶液浓度为改性主要影响因素,设计一组正交实验并确定最佳改性条件为:高温温度为330℃,高温时间90 min,Ca Cl2溶液浓度为2 mol/L,Ca Cl2溶液浸泡时间120 min,洗涤时所用的Na NO3溶液浓度为1 mol/L。在此条件下IHA的产率最高可达74.21%。最后利用交联法制备改性腐植酸基吸附树脂(IHA-PAA),并以Cr(Ⅵ)吸附量为指标,通过正交实验研究合成条件对IHA-PAA吸附效果的影响。确定其最佳合成条件为:单体配比IHA:AA为3:40,MBA用量为0.5%,KPS用量为0.5%,Na OH中和度为60%。在此条件下制备的IHA-PAA对Cr(Ⅵ)的吸附量最高可达0.749 mg/g。为了考察外界因素的影响,实验选取p H、初始浓度和时间、吸附剂投加量、温度、搅拌速度和粒径为主要影响因素,研究并分析各个因素在不同条件下HA、IHA、IHA-PAA对Cr(Ⅵ)的吸附效果。结果表明:无论哪个因素,在相同条件下,IHA-PAA的吸附效果均优于HA、IHA,且IHA-PAA的耐酸碱性、耐温性能较HA、IHA均有所提高。对IHA-PAA进行等温吸附实验,数据拟合结果表明,相对于Langmuir吸附等温线模型,Freundlich吸附等温线模型能够更好地描述IHA-PAA对Cr(Ⅵ)的吸附行为;对IHA-PAA进行吸附动力学实验,数据拟合结果表明,拟一级动力学模型能够较好地描述低浓度条件下IHA-PAA对Cr(Ⅵ)的吸附动力学过程,拟二级动力学模型能够较好地描述高浓度条件下的吸附动力学过程。通过红外光谱(FTIR)扫描电镜(SEM)对HA、IHA、IHA-PAA三种吸附剂进行结构表征,对比分析HA、IHA、IHA-PAA的结构性能差异。FTIR结果表明,IHA中羟基等亲水性基团减少,疏水性增大,提高了其不溶性,有利于其单独应用,避免对水体造成污染;与IHA相比较,IHA-PAA中C=O等吸收峰增多,亲水性增大,酚羟基、醇羟基、羧基基团增多,增大了其吸附性能。SEM结果表明,经过改性后的IHA表面变粗糙,且疏松分层,负载有分散的比较均匀的球状小颗粒,吸附点位数量增加;IHA-PAA表面形成较多簇状突起,排列有序,且簇状突起之间有较多的孔洞结构产生,因此显著增大了其表面积,从而提高了其吸附性能。
【图文】：

腐植酸,分子式,溶解度,来源

金属离子生成水溶性络合物或者不溶性沉淀物，通过气泡上浮至水面而去除；溶取法，向废水中添加萃取剂，利用溶解度差异使重金属离子浓缩于萃取剂；微生凝法，向废水中添加微生物絮凝剂，利用微生物及其活动产生的代谢产物使重金子形成絮凝沉淀；等等[29-32]。1.3 腐植酸及其研究应用1.3.1 腐植酸结构及性质腐植酸（Humic Acid）是由动植物遗骸经过长时间演变得来的化合物，主要元素有碳、氢、氧、硫等，其分子大小不同、结构复杂，没有统一的结构，也不某种完整确定的化学式，因此性质比较复杂。腐植酸大分子的基本结构是芳环和脂环上连有羧基、羟基、羰基、醌基、甲氧基等官能团（部分结构如图 1-1 所示）是这些基团造成了腐植酸的多种性质，如酸性、亲水性、离子交换性、络合能力高的吸附能力等[33-36]]，，并且在一定条件下还可以与其他物质进行络合、硝化、磺氧化和氯化等反应，从而影响环境生态平衡，它对环境中碳的循环，金属离子和化合物的迁移转化等都有重要影响。

标准曲线图

图 2-2 Cr(Ⅵ)标准曲线图.2.5 吸附性能影响因素实验（1）pHpH 值是水溶液最重要的理化参数之一，也是影响吸附剂吸附特性的重要因素，对吸附剂的表面电荷以及溶液中离子的离子化程度都有重大影响，不同 pH 值中合成树脂的吸附效果是其在不同酸碱环境实际应用的主要考虑因素，因此实验成 IHA-PAA 进行耐酸碱性测试。称量 0.1 g 吸附剂分别放入配置好的 pH=346789、10 的 Cr(Ⅵ)溶液中，溶液体积均为 20 mL，浓度均为 5 mg/L，放温磁力搅拌器上以一定温度、速度搅拌吸附一定时间，吸附结束后，取吸附后溶定吸光度，计算得到不同 pH 下 IHA-PAA 对 Cr(Ⅵ)的吸附量。（2）初始浓度和时间水溶液中金属离子初始浓度和吸附反应达到平衡所需时间可以直接影响到吸的吸附效率，吸附剂在不同初始浓度下所表现出来的吸附性能是其在不同初始浓境条件下是否被选择的考虑因素之一。本实验分别称取 0.1 gHA、IHA、IHA-PA其分别放入初始浓度为 1、2、3、4、5 mg/L 的 Cr(Ⅵ)溶液中，溶液体积均为 20 m
【学位授予单位】：西安工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703

【参考文献】