基于新型淀粉样纤维高效去除水中微量重金属及磷酸盐特性研究

发布时间：2020-04-14 20:24

【摘要】：水环境中重金属和磷酸盐对生态环境造成严重污染,影响人类的身体健康。本文对β-乳球蛋白采取碱性加热处理制备出β-乳球蛋白纳米纤维,借助β-乳球蛋白纳米纤维的黏附作用,以大孔强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂(记作D201)为基底,通过真空抽滤的方法制备出树脂基纤维氧化锆膜(记作D201-fiber-ZrO_2),并用以上两种材料去除水中的重金属和磷酸盐。本实验通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、傅氏转换红外光谱分析(FT-IR)等表征仪器对材料进行微观形貌和基团结构的分析。结果表明:β-乳球蛋白纳米纤维具有纤维状非晶体纳米结构,长度2μm,直径5 nm。负载氧化锆(ZrO_2)后的β-乳球蛋白纳米纤维长度不变,直径变为13nm,其中ZrO_2颗粒直径为7 nm。首先用β-乳球蛋白纳米纤维对含铅废水进行批量处理实验。在高浓度Ca(Ⅱ)/Mg(Ⅱ)/Na(Ⅱ)离子共存的条件下,材料对Pb(Ⅱ)仍表现出高效的选择吸附性能。其次,动力学结果证明β-乳球蛋白纳米纤维能在60s内快速吸附Pb(Ⅱ)并达到吸附平衡。更显著的是,所得β-乳球蛋白纳米纤维的实际应用能力(约44 m~3的污染废水/kg吸附剂),远远超过商业离子交换树脂,出水浓度低于世界卫生组织推荐的饮用水标准(10μg/L)。材料对Pb(Ⅱ)显著的吸附性能可归因于超细纳米纤维结构和蛋白质上丰富的氨基酸基团。此外,在纤维上原位合成亚10 nm ZrO_2,以D201粉末为基底,通过真空抽滤的方法制备D201-fiber-ZrO_2膜。材料对Pb(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)、Cu(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、F~-、P(Ⅴ)都具有高效吸附能力,并且对Pb(Ⅱ)、F~-、P(Ⅴ)表现出优异的选择吸附行为。pH影响实验表明材料能在宽泛pH范围内对目标污染物高效去除。用材料过滤含多种目标污染物的混合液时,对每种污染物离子都具有强大的去除能力,并且循环5次以上效率都保持在99.9%。此外,D201-fiber-ZrO_2膜能够对高浓度(100 mg/L)和低浓度(10 mg/L)的P(Ⅴ)、Cr(Ⅵ)、Pb(Ⅱ)溶液表现出高效的处理能力。综上所述,这些结果都表明D201-fiber-ZrO_2膜将能够很好缓解重金属以及磷酸盐等阴离子污染物带来的环境污染问题。
【图文】：

比例尺,加热时间,代表性,纳米纤维

燕山大学工学硕士学位论文用石墨炉测定 Pb(Ⅱ)浓度，得出β-lg-fiber 材料在高浓度竞争离子存在下对 1 mg/L 的Pb(Ⅱ)有效处理量。最后以处理的铅溶液体积为横坐标，出水铅浓度为纵坐标画图。2.2 结果与讨论2.2.1 乳球蛋白纳米纤维表征分析图 2-1(a-d)为不同反应时间的β-lg-fiber TEM 图，以此来观察纳米纤维的生长过程中形貌变化。结果表明，在加热处理 1h 后，图 2-1(a)出现β-乳球蛋白的球形聚集体，直径为 20-50 nm；加热处理 3h 后，可观察到一定量的纤维形态(图 2-1b)。这些短纤维

痕量重金属,化学键作用,氨基酸侧链,选择性吸附

了其具有蛋白质的本质，而显著的 Pb 4f 峰进一步证实了 Pb 和β-lg-fiber 之间具附作用，详细的机理将阐释在下一节中。此外，利用傅里叶变换红外光谱(FT定β-lg-fiber 可能的特征基团(图 2-2b)。在 3394 cm-1和 3402 cm-1处的宽峰是由H 和活性-NH2伸缩振动引起，在波数 2960 cm-1和 2930 cm-1处的峰是由 CH基团的弱不对称伸缩振动引起的。在 1648 cm-1的显著峰归因于羧基或β-折叠蛋胺Ⅰ组中的 C-O 伸缩，而 1540 cm-1处的强峰为酰胺Ⅱ成分引起，它起源于肽键(C=O/C-N 伸展和 N-H 弯曲)。在 1460 和 1400 cm-1处的峰与氨基酸侧链中 C的弯曲有关。这些发现表明β-lg-fiber 具有显著的蛋白质结构和氨基酸组分。X(图 2-2c)显示β-lg-fiber 属于非晶相，基于明显的嘈杂背景，和吸附 Pb 后的样品表明存在可能的化学键作用，没有结晶 Pb(NO3)2或 Pb(OH)2沉淀形成。2 竞争吸附结果分析对痕量重金属选择性吸附是开发理想吸附剂的重要指标。考虑到吸附剂在复杂适用性，选择天然/工业用水中普遍存在的离子 Ca(II)，Mg(II)和 Na(I)作为共同ab
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703

【参考文献】