新型磁性壳聚糖吸附剂的制备及其吸附行为与机理研究

发布时间：2020-06-03 02:06

【摘要】：本文以天然高分子壳聚糖为基材,通过原位共沉淀法制备具有特殊结构天然生物质基凝胶类聚合物环境功能材料,并对其进行充分的理化性质表征。以工业废水中重金属及染料为目标污染物,开展了一系列污染物去除批实验对其进行性能考察、吸附条件优化、吸附行为及吸附动力学模型构建等方面的应用研究,为天然生物质磁性材料在水处理中的应用提供理论和技术支撑。论文主要结论如下:1)采用原位共沉淀法制得多孔磁性壳聚糖凝胶微球,并采用LEXT、SEM、TEM、EDS、FT-IR、VSM等手段对其理化性质进行充分表征,结果证明该磁性凝胶微球内部具有规则的多孔多层类蜂巢结构,交联剂柠檬酸钠提高了壳聚糖吸附材料耐酸性,壳聚糖活性官能团未受Fe_3O_4引入影响,吸附剂主要活性官能团为-NH_3、-OH、-COOH等。直径5±2 nm的Fe_3O_4颗粒均匀分布其中,吸附剂良好的超顺磁性良好,饱和磁感应强度为11.3 emu/g。2)采用磁性壳聚糖凝胶微球对Pb~(2+)进行吸附研究,探讨吸附条件(pH值、初始浓度、接触时间)对吸附量的影响,通过动力学分析和等温线拟合研究其吸附性能,结果表明:磁性壳聚糖凝胶微球在pH 6时吸附效果最佳,吸附作用在3h内达到平衡,吸附量随溶液初始浓度增加而增大,但溶液中吸附质去除率随之降低,吸附剂经0.01 M的Na_2EDTA溶液洗脱后,5次循环实验吸附效率降低20%以内。磁性壳聚糖凝胶微球对Pb~(2+)吸附XPS结果证明在-NH_3吸附过程中其主要作用,吸附批实验数据符合拟二级动力学模型与Langmuir等温线,表明该吸附过程主要为单层化学吸附,吸附速率受化学反应速率控制,其吸附剂饱和吸附量为84.02 mg/g。3)原位共沉淀方法的基础上进一步改进制得纳米磁性壳聚糖流体,利用SEM、TEM、BET、FT-IR、VSM等技术对其理化性质进行表征分析,结果表明该磁性流体在溶液中分散性稳定性良好,结构疏松,比表面积约274.7 m~2/g。采用优化原位共沉淀法制得磁性流体中Fe_3O_4晶型良好,为立方尖晶石结构,且材料悬浮性及壳聚糖官能团未受影响,活性基团主要为-NH_3、-OH等。Fe_3O_4颗粒均匀分散在壳聚糖复合材料中,粒径为17.8±0.3 nm,壳聚糖流体超顺磁性良好,饱和磁感应强度为25 emu/g。4)以该纳米磁性壳聚糖流体为吸附剂对Pb~(2+)进行吸附批实验,考察不同吸附条件(pH值、初始浓度、接触时间)对吸附作用影响,通过动力学和等温线分析阐述吸附机理。结果表明:纳米磁性壳聚糖流体在pH 6时吸附效果最佳,吸附作用在1h内达到平衡较磁性壳聚糖凝胶微球减少2/3,吸附量随初始浓度增加而增大,但增加速率逐渐减慢,吸附剂经0.01 M的Na_2EDTA溶液洗脱后,5次循环实验吸附效率降低20%以内。吸附过程符合拟二级动力学模型与Langmuir等温线,表明该纳米磁性壳聚糖流体对Pb~(2+)的吸附行为主要依靠单层化学吸附,吸附速率受Pb~(2+)与吸附剂活性官能团间化学反应键合速率控制,饱和吸附量为113.38 mg/g。5)以该纳米磁性壳聚糖流体为吸附剂对染料刚果红进行吸附批实验,探究不同实验条件(pH值、初始浓度、接触时间)对吸附作用的影响,通过动力学及等温线模型描述纳米磁性壳聚糖流体对染料的吸附行为及吸附机理。结果表明:纳米磁性壳聚糖流体对刚果红的吸附性能对环境pH敏感性低,在pH 7-10之间平衡吸附量仅有微弱波动。吸附作用在5 min内达到饱和,且吸附速率变化不受初始浓度影响。吸附剂吸附量随初始浓度升高而降低,刚果红去除率随之降低。经1.25 M的NaOH溶液再生后5次循环实验吸附容量降低10%以内。磁性流体对染料吸附过程符合拟二级动力学方程及Langmuir吸附等温模型,表明该吸附主要为单分子层形式的化学吸附,饱和吸附量为1724 mg/g.
【图文】：

磁性壳聚糖微球,结构示意图

图 1-1 磁性壳聚糖微球结构示意图方法上来讲，，主要有乳化交联法(Li et al, 2008)，喷雾干燥法)，光化学法等方法，其中乳化交联法应用最为广泛。然而这些件要求较为苛刻，且样品制备过程中需首先制备 Fe3O4纳米行共混或交联，导致整体制备过程周期较长，增加了实验实Wang et al, 2009)。因此，找到较为简单的磁性壳聚糖微球制备糖吸附剂研究领域来说将是一个重要突破。壳聚糖材料在废水处理领域的应用ran et al, 2010)等通过制备磁性壳聚糖包覆 Fe3O4小球对 Pb2+和磁性壳聚糖吸附剂最佳吸附条件为室温下溶液 pH 6，吸附符方程和 Langmuir 等温线模型，吸附剂对 Pb2+和 Ni2+饱和吸附和 52.55 mg/L。u, 2010)等以表氯醇为交联剂制备交联壳聚糖铁矿物磁性复合Cr6+污染废水进行净化处理。实验表明，该磁性吸附剂吸附最

技术路线图,课题研究,磁性壳聚糖,吸附剂制备

第 1 章绪论吸附剂均包括三部分研究：吸附剂制备条件确定及优化；最佳吸附条件筛选；吸附机理研究；材料表征。具体的，在实验过程中首先对研究方案不断改进，优化磁性壳聚糖吸附剂制备条件。在此基础上利用制得的磁性壳聚糖吸附材料针对重金属及染料模拟污染废水进行吸附批实验，筛选最佳吸附条件，确定吸附剂适用范围，并根据吸附过程中动力学及等温线实验探究磁性壳聚糖吸附剂作用机制。最后通过 SEM，TEM，FT-IR 等多种表征手段对吸附材料进行综合分析，对其理化性质进行进一步表征。本课题具体研究技术路线图如图 1-2所示：
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703

【参考文献】