壳聚糖改性水滑石吸附水中重金属的性能研究

发布时间：2020-05-14 19:14

【摘要】：随着工业化和城市化的进展,重金属离子对水环境的污染愈发严重。吸附法作为一种常用的去除水中重金属离子的方法,其操作方法简单方便,吸附材料廉价易得,吸附效果高效快速。其中,吸附剂是吸附法的关键,研究开发高效廉价、性能优异的吸附剂是吸附法推广应用的重要步骤。水滑石,又称层状双金属氢氧化物(LDHs),具有较大的层间空间、可调变的主体层板和可交换层间阴离子等性质,是一种去除废水中重金属离子的有效吸附剂。但由于LDHs纳米离子易团聚、不易分离、机械强度差,限制了它在吸附领域的应用。壳聚糖(CS)和β-环糊精(β-CD)作为天然高分子材料,具有环境友好、来源广泛、价廉易得且官能团丰富等特点。将CS和β-CD用于LDHs的功能化改性,不仅可克服LDHs的缺点,还可引入天然高分子材料丰富的官能团,使复合材料能够在协同效应下发挥出更优异的吸附性能。因此,本文采用乳化交联法合成了CS-LDH和β-CD-CS@LDH纳米复合材料,并将其用于对水中重金属Pb(II)、Cd(II)和Cr(VI)的去除,研究结果如下:(1)采用乳化交联法合成了CS-LDH纳米复合材料,经环氧氯丙烷交联的CS与Mg-Al-LDH基体复合形成CS-LDH。X射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、能量色散谱(EDS)和X光电子能谱(XPS)分析表明,CS-LDH含有丰富的氨基、羟基和酰胺基等表面官能团,扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)表征和比表面积测定(BET)表明,CS-LDH呈疏松多孔的层状结构,比表面积为80.6 m~2/g。以Pb(II)和Cd(II)为目标重金属离子,考察了CS-LDH的吸附能力。采用批次实验研究了吸附剂用量、初始溶液pH值和接触时间对吸附效果的影响,CS-LDH的最佳用量为0.05 g,对Pb(II)的吸附在10 min内快速达到吸附平衡,对Cd(II)的吸附60 min后达到吸附平衡,溶液pH值在3以上时,吸附过程几乎不受影响。CS-LDH对Pb(II)和Cd(II)的吸附能力明显强于单独的CS和Mg-Al-LDH,吸附容量分别可达到333.3 mg/g和140.8 mg/g。动力学数据符合拟二级动力学模型,等温线数据符合Langmuir吸附等温线模型。吸附机理为化学沉淀、表面络合和同晶置换。(2)采用乳化交联法合成了β-CD-CS,然后将β-CD-CS包裹在Mg-Al-LDH表面,制备了β-CD-CS@LDH纳米复合材料。FTIR、XRD、SEM、TEM和XPS表征结果表明,β-CD-CS成功的附着在Mg-Al-LDH的表面,呈疏松多孔的层状结构,含有丰富的-NH_2、-OH和O-C=O等表面官能团。采用批次实验研究了β-CD-CS@LDH和CS-LDH两种材料对水溶液中Cr(VI)的吸附行为,吸附能力均优于未负载聚合物的Mg-Al-LDH,并且β-CD-CS@LDH对Cr(VI)的吸附量比CS-LDH的吸附量大,溶液pH值对吸附效果的影响较大,在pH值为2左右吸附效果最好。动力学数据符合拟二级动力学模型,等温线数据符合Langmuir吸附等温线模型,β-CD-CS@LDH和CS-LDH吸附容量分别达48.27 mg/g和23.70 mg/g。用FTIR、Zeta电位、XRD和XPS等表征分析了吸附机理,讨论得出吸附机理主要为表面络合、静电吸引和层间阴离子交换。吸附/解吸再生实验表明β-CD-CS@LDH和CS-LDH两种材料对Cr(VI)的吸附有较好的重复利用性能,是一种适用于废水中Cr(VI)处理的吸附剂。本文以Mg-Al-LDH为基础材料,用天然高分子材料CS和β-CD对其进行功能化改性,分别获得了CS-LDH和β-CD-CS@LDH纳米复合材料,并用来吸附水溶液中的重金属离子(Pb(II)、Cd(II)和Cr(VI)),表现出良好的吸附性能。吸附机理的微观研究为去除实际废水中的重金属离子提供了一定的理论基础,具有较大的应用价值。
【图文】：

2.4.3 SEM、EDS 及 TEM 表征图 2.3 Mg-Al-LDH（a, c, e）和 CS-LDH（b, d, f）的 SEM 图像和 EDS 分析用 SEM 表征对 Mg-Al-LDH 和 CS-LDH 的形貌进行了研究，其结果如图 2.3 所示。图 2.3a 和 2.3c 显示，单一的 Mg-Al-LDH 纳米材料呈大小均匀的球形结构，直径约为5~20 μm。Mg-Al-LDH 与 CS 结合形成 CS-LDH 复合材料后，球状结构被破坏，变为疏松多孔的层状结构（图 2.3b 和 2.3d），增大了吸附材料的比表面积，明显有利于对重金属离子的吸附。利用 EDS 分别对 Mg-Al-LDH（图 2.3e）和 CS-LDH（图 2.3f）进行元素分析。其中，二者的镁、铝、氧元素含量基本相同，与 CS 复合后形成的 CS-LDH，氮和碳元素的含量分别从 1.4%增加到 3.2%，从 14.2%增加到 21.3%

此外，由图 2.4e 和 2.4f 可以看到，Mg-Al-LDH 和 CS-LDH 的晶格条纹分nm 和 0.202nm，这与 Mg-Al-LDH 晶相中的的 018 平面（d=0.198nm，2θ=45S-LDH 的（018）平面（d=0.197 nm，，2θ=45.88°）的间距相当。
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703

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本文编号：2663807