海藻酸纳米复合材料的制备及其对重金属离子吸附性能研究

发布时间：2020-06-18 14:23

【摘要】：随着工业经济的快速发展,重金属污染已成为当今世界最为严重的环境污染问题之一,如何快速高效地处理重金属污水也引起了众多科研工作者的广泛关注。目前,重金属离子污水的处理方法主要有化学法、物理化学法、生物化学法等。与传统的重金属污水处理技术相比,吸附法因其具有操作简单、吸附剂可循环使用、成本低等优点被认为是一种很有前景的重金属离子污水处理技术。海藻酸是从天然褐藻中提取出的一种天然吸附剂,由于其结构中含有大量的-COOH和-OH,因此被广泛应用于重金属离子污水的处理。然而,用于重金属离子处理的海藻酸是一种致密的、非多孔的刚性材料,该材料的扩散系数低,导致其吸附动力学相对缓慢。此外,纯的海藻酸机械强度较弱、结构均匀性较差、材料易碎易坍塌。这些结构缺陷导致海藻酸在重金属离子的处理中表现出了一些不理想的性能。基于以上海藻酸的两种主要缺陷,本文通过合理的结构设计来改善海藻酸在重金属吸附过程中的动力学缓慢问题,即通过构筑纳米结构来提高吸附过程中重金属离子的传输性能。此外,本文以氧化石墨烯为增强剂来构筑海藻酸复合材料,氧化石墨烯自身优异的机械稳定性能在一定程度上解决纯的海藻酸易碎易坍塌等结构不稳定问题,使得该复合材料有着良好的机械和再生性能。本文的研究工作主要包括以下两个方面:(1)以聚苯乙烯微球为模板,氧化石墨烯为增强剂通过冷冻干燥技术制备了尺寸可调的纳米级大孔海藻酸钙/氧化石墨烯复合气凝胶(mp-CA/GO)。将此复合气凝胶用于重金属离子的处理中,系统的研究了浓度、温度、pH值以及接触时间等条件对该复合气凝胶吸附重金属离子性能的影响;通过X射线光电子能谱(XPS)研究了该复合气凝胶对重金属离子的吸附机理;以硝酸为脱附剂对该复合气凝胶的再生能力进行了研究。得益于海藻酸优异的金属螯合能力以及纳米结构通道的设计,该复合气凝胶在40 min内达到吸附平衡,且对Pb~(2+)、Cu~(2+)、Cd~(2+)的最大吸附容量分别为368.2、98.1、183.6 mg/g。增强剂氧化石墨烯的存在,使得该复合气凝胶在经过20次吸附-脱附循环后,吸附损失率可以控制在5%以内。吸附机理分析表明,mp-CA/GO吸附重金属离子主要为离子交换和化学配位的协同作用。(2)以氧化石墨烯为增强剂,通过静电纺丝技术制备出高机械强度的海藻酸纳米复合纤维。得益于海藻酸复合纤维自身特有的大的比表面积以及优异的网络传输通道,该复合纤维对重金属有着良好的吸附性能。通过分析温度、浓度、pH值以及接触时间等条件对该复合纤维吸附重金属离子性能的影响,可以得出:吸附在30 min内达到吸附平衡,吸附过程符合拟二级动力学模型;该复合纤维对Pb~(2+)和Cu~(2+)的最大吸附容量分别为386.5和102.4 mg/g,该值高于目前已报道的铅离子或铜离子吸附剂的吸附容量;XPS等测试结果表明该复合纤维对重金属离子的吸附为离子交换和化学配位的协同作用。
【学位授予单位】：安庆师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703;O647.3;TB33
【图文】：

示意图,重金属离子,人体,示意图

重金属废水是指工业生产中排出的含有铅、铜、铬、镉、汞、砷等重金属离子的[3]，它们具有很强的毒性，且在环境中不易被分解，可通过食物链等形式在生物体性富集，对生物体造成极大的不可逆损伤。所以当今各国对重金属废水的处理非常，尤其是含铅和含铜废水的处理。水体中铅离子和铜离子的污染主要来自于电镀、铅蓄电池制造、矿石冶炼等工业过程中含铅、铜废水的排放，这些没有经过处理的含铅和含铜废水在排放后很容易人类的日常饮用水[4]。铅离子在进入人体后，其中小部分会以代谢废物形式排出体外余大部分则会在人体内富集。铅离子对生物体的神经系统有着很强的破坏作用，从发一系列的生理疾病。铜元素作为人体必需的微量元素，它在人体的代谢过程中有可忽视的作用。但是，过量铜元素的摄入也会出现中毒、器官损伤等一系列严重的问题[5-9]。因此，快速高效的解决铅、铜等离子污染问题是我国当前面临的重要挑战人体遭受重金属离子污染的途径有很多，可能是直接饮用了含有重金属离子的水有可能是食用了被重金属离子污染的动植物食品。重金属离子进入人体后便会在人富集，对人体的健康产生巨大威胁。人体遭受重金属离子污染的具体路径如下图 1。

交联处理,海藻酸钠

1.3 海藻酸钠简介1.3.1 海藻酸钠的结构海藻酸钠是从褐藻类中提取出的一种天然高分子，其分子由 β-D-甘露糖醛酸（β-annuronic，M）和 α-L-古洛糖醛酸（α-L-guluronic，G）按（1→4）键连接而成[20-22]子中含有大量的-COO-和-OH。当向海藻酸钠溶液中加入钙离子等二价离子时，海藻分子中 G 单元上的钠离子会与溶液中的二价阳离子发生离子交换反应，这使得海钠分子中的结构更为紧密，继而形成相应的三维网络结构材料，即凝胶材料[23]。

【参考文献】