磁性磺酸基互花米草吸附剂的制备及其对水中重金属及染料的吸附研究

发布时间：2020-07-18 06:29

【摘要】：互花米草是一种具有极强种间竞争力的入侵植物,自上世纪60年代引入中国以后,其种群规模和空间分布迅速扩大,在中国江苏、浙江、广东等地爆发,威胁着当地生态系统和沿海水产养殖。数量巨大的互花米草如何进行资源化利用具有现实意义。互花米草的秸秆含有丰富的纤维素成分,可以将其进行改性提高处理性能,运用到污水处理领域。本论文利用吸附法处理水溶液中的亚甲基蓝、甲基紫、Cu(Ⅱ)和Hg(Ⅱ),采用的吸附剂原料即为互花米草,通过其与AMPS单体(2-丙烯酰氨基-2-甲基-1-丙烷磺酸)发生接枝共聚反应引入磺酸基团,再与Fe_3O_4相结合制备出具有磁性、易于分离、性能优良的吸附剂既可以达到净化废水的功效又实现了入侵种的资源化利用。本论文通过正交实验及单因素实验探究磺酸基改性的最佳反应条件,利用SEM、XRD、FTIR、XPS及磁性分析等表征方法研究互花米草在改性前后的变化情况。通过磁性吸附剂对染料及重金属离子的静态吸附实验获得吸附剂的投加量、溶液的pH值、吸附时的温度、吸附时间与吸附性能之间的作用关系,进行吸附动力学、吸附等温式和吸附热力学模型拟合,深入探究静态吸附机理。通过动态吸附实验探究柱高、流速和浓度对穿透曲线的影响,并进行Thomas模型和Yoon-Nelson模型拟合。主要结论如下:(1)磁性互花米草吸附剂(MSMSA)最佳改性条件。磺酸基改性影响因素的影响程度为:改性温度AMPS单体投加量高锰酸钾浓度改性时间;最佳改性条件为:1.6g的预处理互花米草,348.0mmol/L的引发剂KMnO_4,4.8g的AMPS单体,313K温度下反应3h,磁性Fe_3O_4和磺酸基互花米草的最佳质量比为1:3。SEM分析表明,改性改变了互花米草的形貌特征,互花米草由改性前的表面平滑变为改性后的疏松多孔;通过FTIR分析,发现在1161cm~(-1)和1318cm~(-1)处分别出现了S=O的对称伸缩振动吸收峰和不对称伸缩振动峰,通过XPS分析发现互花米草增加了S2p峰(164ev),证明磺酸基成功接枝到互花米草上;XRD分析显示MSMSA中出现与Fe_3O_4相对应的峰位置,磁滞回线分析表明MSMSA具有超顺磁性,说明互花米草与Fe_3O_4成功结合,吸附剂具有磁性。实验表明,磁性互花米草吸附剂对于染料和重金属的去除率较未改性时分别提高了30%和50%,吸附性能大有提升,且易于固液分离。(2)MSMSA对染料及重金属离子的静态吸附。MSMSA对亚甲基蓝、甲基紫、Cu(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)的最佳投加量分别为0.5g/L、0.5g/L、2g/L和2g/L;对于亚甲基蓝和甲基紫的最佳吸附pH为8,对于Cu(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)溶液的吸附最佳pH为5;升高温度有利于吸附量的增加,达到吸附平衡的时间变短;MSMSA经过3次吸附-解吸实验,去除率略有减少,但去除率均高于91%。吸附动力学分析表明,MSMSA对于四种污染物的吸附均更符合准二级动力学模型(R~20.999),通过准二级方程计算出的饱和吸附量与实际实验所得的吸附量也更为接近,吸附过程以化学吸附为主。吸附等温式分析表明,对于亚甲基蓝、甲基紫和Hg(Ⅱ)的吸附适用于Langmuir等温式来描述,属于单分子层吸附,而对于Cu(Ⅱ)的吸附更适用于Freundlich吸附等温模型,吸附剂在表面吸附了第一层Cu(Ⅱ)后,由于范德华力的存在,仍然可以进行多层吸附。实验中323K时MSMSA的对亚甲基蓝、甲基紫、Cu(Ⅱ)和Hg(Ⅱ)的饱和吸附量最大,分别为188.68、185.18、27.38和25.92mg/g。热力学分析表明,MSMSA对于污染物的吸附属于自发不可逆过程,是吸热反应,温度的升高有利于吸附的进行。(3)MSMSA对重金属离子的动态吸附。增大吸附剂填充柱柱高、减小重金属溶液流速和浓度,可以延长填充柱的穿透时间,提高其对于重金属离子的去除率。Thomas模型和Yoon-Nelson模型拟合曲线的相关系数均大于0.947,通过两种模型计算出的平衡吸附量与实际得到的数据相近,二者均能很好的描述动态吸附过程,吸附柱的轴向扩散非限速步骤。通过盐酸洗脱可以实现填充柱的再生,第三次填充柱的吸附量为第一次吸附量的88%左右,经过3次动态吸附,仍保持较好的吸附性能。
【学位授予单位】：安徽师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703;TQ424
【图文】：

图 2-1 纤维素与 AMPS 接枝共聚反应机理Fig2-1 Graft copolymerization mechanism of cellulose and AMPS.2.2 磁性吸附剂的合成

图 3-1 改性温度对去除率的影响Fig.3-1Effect of the modified temperature on the removal rate3.1.1.3AMPS 用量对反应的影响

图 3-2 AMPS 投加量对去除率的影响Fig.3-2 Effect of the dose of AMPS on the removal rate3.1.1.4 引发剂浓度对反应的影响

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