壳聚糖基多孔炭微球的制备及其吸附性能研究

发布时间：2020-04-25 10:35

【摘要】：壳聚糖(Chitosan),地球上数量仅次于纤维素的最丰富天然聚合物,是由生物体内的甲壳素经过脱乙酰反应制得的一种天然碱性多糖。壳聚糖具有十分优良的生物粘合性、生物可降解性、生物相容性、以及良好的吸附性能和无毒性等特点,使得它在食物保鲜、环境保护、医药医学、污废水处理等众多领域得到了广泛的研究应用。多孔炭,一种孔隙结构十分丰富的碳素无机非金属材料,因其超大比表面积、超强耐酸碱性以及廉价性等优点,使得其在污水处理、药物运载等领域展现出良好的应用前景。然而,实际运用中的多孔炭大多都呈粉末状或微颗粒状,这种实际运用中的多孔炭体积微小具有很强的缺陷性,极其容易出现炭质吸附剂团聚现象,造成仪器运行过程中水处理设备堵塞、吸附剂回收时固液分离困难等问题众多问题。所以,本课题以壳聚糖作为原料,与酵母菌、磁性四氧化三铁相结合,致力制备内部结构疏松多孔、物质比表面积大、化学性能稳定、物理吸附性能好、回收便捷的多孔炭微球吸附剂。将所制备的壳聚糖/酵母菌复合炭微球和Fe_3O_4@壳聚糖炭微球应用于抗生素吸附处理领域,并考察了Fe_3O_4@壳聚糖炭微球的再生性能等。具体研究内容如下:(1)壳聚糖/酵母菌复合炭微球的制备及吸附性能研究以壳聚糖包裹酵母菌(CWY)为前驱体,在氮气保护条件下,400℃炭化制备出了石榴结构型多孔炭微球。利用FE-SEM、XRD、FTIR分别对CWY复合炭微球对形貌、物化结构进行了表征,测试了CWY炭微球的极性,Boehm滴定法对CWY表面酸性基团进行了分析。结果表明生成的酵母炭颗粒均匀镶嵌在CWY炭微球内,呈多孔、无定形结构,炭微球在非极性溶液中表现出更好的分散性能,且其表面酸性基团总量为3.281mmol?g~(-1)。考察了CWY炭微球对强力霉素废水的吸附处理能力,在碱性条件下,CWY炭微球对强力霉素废水(10mg?L~(-1))的吸附符合Langmiur模型,50 ~oC时最大吸附量为3.07 mg?g~(-1)。(2)Fe_3O_4@壳聚糖炭微球对强力霉素的吸附性能及其再生性能研究吸附法去除水溶液中抗生素因其操作方便、成本低、无毒性和高效性等优点而被公认为是去除净化抗生素废水最合适的方法。然而,传统的吸附剂再生方法使这一水处理过程成为昂贵且耗时的水处理工艺。因此,本文中采用碱凝胶热裂解法,将磁性纳米颗粒包裹在壳聚糖水凝胶中并干燥碳化,成功地制备出具有磁性的Fe_3O_4@壳聚糖炭微球(MCM)。分别用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)和N_2吸附/脱附曲线(BET曲线)对产物MCM复合微球进行了表征。在这些表征结构的基础上,讨论了MCM的形成机制。通过固定床柱吸附强力霉素实验探讨了pH(2~11)、初始浓度C_0(20~30mg/L)、流速v_0(1.1~3.1mL/min)以及固定床床层厚度d等因素对其吸附能力和穿透曲线的影响。实验结果表明,这些因素对吸附剂吸附能力都有的显著影响(吸附能力随着pH值和床层厚度的增加而增大,随初始浓度和流速的增加而减小)。Thomas和Yoon-Nelson模型的回归系数R~2均大于0.9,对该固定床吸附的拟合度都较高。通过过氧化氢溶液引发非均相芬顿反应很容易再生饱和吸附剂。壳聚糖炭吸附特性和纳米四氧化三铁磁性、催化性能之间的协同作用,使得Fe_3O_4@壳聚糖炭微球在废水处理领域具有很广泛的前途。
【图文】：

照片,壳聚糖,酵母菌,照片

图 2.1 壳聚糖/酵母菌复合炭微球的形成Fig.2.1 Formation of CWY carbon microspheres壳聚糖/酵母菌复合炭微球的形成过程如图 2.1 所示。天然壳聚糖分子为线性结构。氢键和范德华力的作用，壳聚糖分子通常表现为相互交织而形成的网状结构。如溶液的 pH 为酸性，壳聚糖分子上的氨基可被质子化，其分子间产生静电斥力，糖分子由此变长，并在水溶液中分散度变好[40]，壳聚糖酸溶液也由此变成透明凝态。在引入酵母菌后，酵母菌可通过氢键作用与溶液中的壳聚糖分子形成酵母菌@壳分子复合体。在滴入 NaOH 后，即发生酸碱中和，酵母菌@壳聚糖复合体上的壳分子的氨基被去质子化，使得壳聚糖分子失去原胶体状态[40]而恢复其网状结构，形成酵母菌@壳聚糖前驱物。前驱物再通过干燥、煅烧、炭化后得到壳聚糖/酵母合炭微球。a b

SEM图,炭微球,选择区域,表面

图 2.3 CWY (a)，CWY 表面选择区域(c)，CWY 炭微球(b)以及 CWY 炭微球表面选择区域(d)的 SEM 图Fig.2.3 SEM micrographs of CWY(a) and surface selected(c),CWY carbon microspheres(band surface selected(d)FE-SEM 对 CWY 微球及其面形貌进行了分析。图 2.3 为 CWY (a)，CWY 表面选域(c)，CWY 炭微球(b)以及 CWY 炭微球表面选择区域(d)的 SEM 图。图(a)、(图分为产品炭化前、后的光学照片，可以看出产品炭化前、后直径均在 1.5~2m。由图(a)可以看出，CWY 表面光滑，内部含有一些大小不均匀的凹槽，这些凹由于制备过程中产成的气泡所造成的。在图(c)中可以看出酵母菌颗粒在 CWY 内均匀分布，壳聚糖作为成型粘合剂，在菌之间成功的起到了耦合连接作用，从而使 CWY 微球呈现出石榴状内部空间结从(b)中明显观察到，与炭化前相比，炭化后的 CWY 微球内部粗糙不平，，含有交
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703

【参考文献】