改性磁性壳聚糖凝胶微球制备及其对水中重金属吸附行为研究

发布时间：2020-08-15 09:50

【摘要】：重金属在生物物质循环和能量交换中难以被分解破坏,唯有改变其物理化学形态或转移其存在位置,加之重金属在环境中几乎能通过任何可能的物理、化学和生物过程进行迁移转化,因而治理难度很大。壳聚糖是一种对重金属具有优异吸附性能的天然生物材料,其分子结构中具有多种官能团,可通过改性以提高吸附性能?本研究以壳聚糖为原料,采用交联和掺杂的方式对其进行改性,并通过共沉淀法制得新型多孔磁性壳聚糖微球吸附剂,研究了它们对水中典型的多元重金属离子(Pb~(2+)、Cu~(2+)、Zn~(2+))以及放射性重金属离子(Cs~+)的吸附性能,最后考察了将改性壳聚糖凝胶微球作为固定床填料的动态吸附实验。具体内容如下:(1)通过采用共沉淀法在天然生物质壳聚糖中原位生成磁性物质,并用乙二醇二缩水甘油醚(EGDE)交联制备了一种新型多孔磁性壳聚糖凝胶微球吸附剂。利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、磁饱和强度分析(VSM)对吸附剂进行了表征。结果表明,吸附剂内部具有发达的孔隙结构,并均匀分布有平均粒径为2.83±0.98 nm的Fe_3O_4纳米颗粒;吸附剂中引入Fe_3O_4后,仍存在羟基、氨基和羧基等功能基团,且吸附剂磁性良好可用于磁场分离。考察了原位共沉淀法壳聚糖凝胶微球在不同条件下对Pb~(2+)、Cu~(2+)、Zn~(2+)三元重金属吸附性能。结果表明,磁性多孔壳聚糖凝胶微球对三种重金属离子的吸附符合准二级动力学,吸附过程数据可用Langmuir等温吸附方程描述;对多元重金属的吸附为化学吸附,比表面积是吸附的重要影响因素;在多元吸附体系中发生拮抗作用,重金属竞争吸附顺序为Pb~(2+)Cu~(2+)Zn~(2+)。(2)通过共沉淀法将膨润土固定在壳聚糖微球的多孔结构中,制备出了具有混合吸附效应的磁性膨润土-壳聚糖复合微球(Bn-CTS),用以从水中去除铯离子(Cs~+)?该复合吸附剂具有规则的多孔结构,并且壳聚糖和膨润土能共同提供丰富的结合位点来实现对Cs~+的有效去除?同时材料具有顺磁特性使它们易于分离以便再循环?本研究优化了壳聚糖/膨润土比例,pH和接触时间以达到最佳Cs~+去除率,并充分讨论了吸附动力学和等温线来探究吸附机理?由结果可知,吸附动力学遵循伪二级模型,吸附平衡数据与Langmuir等温模型拟合度较高?Bn-CTS微球的最大吸附容量为57.1 mg·g~(-1)?在丰富的阳离子(Li~+,Na~+,K~+和Mg~(2+))存在下,吸附剂对Cs~+吸附具有优异的选择性?0.1mol·L~(-1)的MgCl_2溶液可对Cs~+吸附饱和的微球进行定量解吸,以达到循环利用吸附剂的目的?总的来说,磁性膨润土-壳聚糖微球在处理放射性废物方面具有极大地潜力?(3)在静态吸附实验基础上,研究了在不同固定床填料层高(5-15 cm),进水浓度(100-300 mg·L~(-1)),流速(4-20 mL·min~(-1))条件下,分别进行了铯离子在Bn-CTS固定床上的上的吸附动力学实验。建立了铯离子在固定床上的吸附动力学模型,计算理论吸附透过曲线?结果表明,不同固定床填料层高,进水浓度,流速条件均对固定床的性能有明显的影响。根据Thomas、BDST和Yoon-Nelson模型计算出的理论吸附透过曲线和实验吸附透过曲线有较好的吻合,三种模型相关系数R~2均大于0.91。同时,Bn-CTS固定床具有很好的再生性能,可以重复利用4次。
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ427.26;O647.3;X52
【图文】：

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机污染水的活性炭和其他吸附剂相比，壳聚糖是一种低成本且hatnagar et al., 2009）。由于壳聚糖具有独特的聚阳离子结构，，活性染料和直接染料等阴离子染料具有出色的去除能力。并为，能在酸性介质中胺基质子化后通过离子交换吸附金属阴离8）。Muzzarelli et al.（1974, 2011）已经研究和讨论了壳聚糖和属离子的螯合特性。螯合作用可归因于壳聚糖分子中存在能够位的大量官能团（如氨基和羟基）。壳聚糖对金属的选择性十无害的碱金属离子和碱土金属离子不会被螯合，而通常以痕量和后过渡金属离子则能被选择性隔离（Muzzarelli et al., 1973）普通的壳聚糖吸附剂吸附过后难以回收再利用，而将吸附剂赋解决这一问题，因此将磁性壳聚糖复合材料作为吸附剂引起了磁性壳聚糖复合物由壳聚糖聚合物基质和含有磁性颗粒的分散著的生物和化学性质已经被作为磁性载体的基础材料受到 et al., 2013），因此有关磁性壳聚糖主题的出版物数量在近几年）。

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壳聚糖材料的缺点是对 pH 依赖性较大。由于磁性壳聚糖材料如氨基，羟基和羧基），其表面性质会随着溶液 pH 的变化而改11）。在低 pH 下，大多数官能团被质子化后带正电荷。此外，量的 H+和 H3O+，可与金属离子竞争在复合材料上可用的吸附离子和带正电荷的材料表面之间会发生静电排斥，因此在大多吸附效果较差（Zhou et al., 2011）。性壳聚糖复合材料的结构和合成糖自身不带有磁性，需要添加磁性材料以便更好地从污水中分糖复合材料一般由两部分构成：壳聚糖基质和无机磁性材料，为磁铁矿（Fe3O4）和磁赤铁矿（γ-Fe2O3）（Reddy et al., 2013）会形成不同的复合结构，常见的磁性壳聚糖复合材料的结构如壳结构和均匀分散结构（Reddy et al., 2013）。

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