包覆纳米铁羧甲基壳聚糖凝胶球去除水中六价铬研究

发布时间：2017-08-23 08:18

  本文关键词：包覆纳米铁羧甲基壳聚糖凝胶球去除水中六价铬研究

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【摘要】：现代制造行业中,六价铬化合物广泛应用于制革、纺织品生产、印染、颜料以及汽车等行业,对社会经济发展起到重要作用。但是部分工厂企业不合理排放含铬废水引起严重的环境污染。六价铬是“三致”物质,严重危害人类以及动植健康,因此有效解决六价铬污染问题成为时下环保主义者的工作焦点。近些年来,环境纳米材料迅速发展,尤其是纳米零价铁。纳米铁制备简单,廉价易得,且具有较高的反应活性等特点,因此成为目前环境污染修复技术中一个非常活跃的研究领域。但是在实际应用中纳米铁极易团聚,空气稳定性差,因此给纳米铁材料的应用提出了严峻的挑战。针对以上问题,本文采用羧甲基壳聚糖作为包覆剂,制备出包覆纳米铁羧甲基壳聚糖凝胶球材料并用于水体中六价铬污染的修复。论文研究了包覆纳米铁羧甲基壳聚糖凝胶球的制备条件,并在静态条件下考察了其对水体中六价铬的去除能力,探讨了包覆纳米铁羧甲基壳聚糖凝胶球去除六价铬的动力学和机理。论文的主要研究内容如下:(1)制备了包覆纳米铁羧甲基壳聚糖凝胶球,并探讨了羧甲基壳聚糖浓度、纳米铁投加量、交联剂(Ca Cl2)浓度以及固化时间对六价铬去除率的影响,以5wt%羧甲基壳聚糖浓度、1.0g的纳米铁、9wt%的交联剂(Ca Cl2)、1h固化时间为较优的制备参数。同时对制备好的包覆纳米铁凝胶球进行了表征分析,表明包覆纳米铁凝胶球中纳米铁粒径分布范围为7~58nm,平均粒径为25.35±7.11nm;包覆纳米铁羧甲基壳聚糖凝胶球的比饱和磁化强度为23.5emu/g,低于单质纳米铁的67.8emu/g,但其仍可被磁铁分离。(2)通过批实验研究探讨了投加量、六价铬初始浓度、溶液p H值以及反应温度对六价铬去除效率的影响,并对各种影响因素导致的对六价铬去除率的变化进行了初步分析。研究发现增加投加量、升高反应温度均可以提高六价铬的去除效率;纳米铁投加量为0.2g/L~0.8g/L对应的六价铬去除率分别为86.32%、95.89%、100%、100%、100%;在25、40、50℃条件下,反应2h六价铬去除率分别达到92.10%、97.05%、98.80%。而六价铬初始浓度、溶液p H值则对六价铬的去除产生抑制作用。六价铬初始浓度越高、溶液p H值越大越不利于六价铬的去除。当污染液中六价铬初始浓度由5mg/L增大到50mg/L时,反应达到平衡时去除率由100%降低至65.46%。当溶液初始p H由3增大到11时,六价铬去除率则由100%降低至91.33%。(3)考察了包覆纳米铁凝胶球去除六价铬的动力学,探讨了投加量、六价铬初始浓度、反应温度以及溶液p H与表观速率常数(kobs)的关系。结果表明,投加量、反应温度与kobs正相关关系;当投加量由0.04g/L增加到0.28g/L时,kobs增加了约8倍。当反应温度由25℃提高到50℃时kobs提高了1.73倍,而半衰期由0.65 h降低至0.37 h。而六价铬初始浓度、溶液p H则与kobs呈负相关关系;当六价铬浓度依次为15、25、50mg/L时,相应的kobs分别为0.58639 h-1、0.3276h-1、0.08479 h-1;当p H值由3升高到11时,kobs由3.50789 h-1降低至0.3566 h-1,半衰期则由0.2 h升高1.94 h。同时动力学研究表明包覆纳米铁凝胶球去除六价铬符合准一级反应动力学模型。(4)包覆纳米铁凝胶球去除六价铬是吸附、还原、螯合共同作用的结果。反应过程中,少量六价铬被吸附于包覆纳米铁凝胶球表面。XPS分析表明反应后三价铁离子较反应前增多,且反应后检测到Cr2p的存在,说明了六价铬被纳米铁还原,同时XRD分析表明反应后零价铁的特征峰消失,并新增铁铬氧化物特征峰,也说明存在氧化还原反应;FT-IR分析表明羧甲基壳聚糖中羧基、氨基以及羟基均不同程度与铁离子和铬离子发生了螯合反应,并且XPS分析也表明包覆纳米铁凝胶球中氨基对铁盐或铬盐也存在螯合作用。
【关键词】：羧甲基壳聚糖 纳米铁 凝胶球 六价铬
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-22
• 1.1 铬的概述11-13
• 1.1.1 铬的理化性质11
• 1.1.2 铬污染的来源及危害11-13
• 1.2 含铬废水的处理技术13-16
• 1.2.1 物理法13-14
• 1.2.2 化学法14-15
• 1.2.3 生物法15-16
• 1.3 零价铁及纳米铁去除水体中六价铬研究进展16-17
• 1.3.1 零价铁去除六价铬的研究16
• 1.3.2 纳米铁去除六价铬的研究16-17
• 1.4 常见的包覆纳米铁凝胶球17-19
• 1.4.1 包覆纳米铁壳聚糖凝胶球简介17-18
• 1.4.2 包覆纳米铁海藻酸钙凝胶球简介18-19
• 1.5 课题的提出及意义19-20
• 1.6 研究内容及技术路线20-21
• 1.7 本章小结21-22
• 第2章 包覆纳米铁羧甲基壳聚糖凝胶球的制备22-31
• 2.1 实验材料与方法22-23
• 2.1.1 实验试剂22
• 2.1.2 实验仪器22-23
• 2.2 六价铬溶液的配制及检测23-25
• 2.2.1 六价铬污染液的配制23
• 2.2.2 六价铬污染液的检测23-24
• 2.2.3 标准曲线的测定24
• 2.2.4 数据处理24-25
• 2.3 实验方法25-26
• 2.3.1 包覆纳米铁羧甲基壳聚糖凝胶球的制备25
• 2.3.2 羧甲基壳聚糖浓度对凝胶球去除Cr~(6+)的影响25
• 2.3.3 纳米铁用量对凝胶球去除Cr~(6+)的影响25-26
• 2.3.4 交联剂浓度对包覆凝胶球去除Cr~(6+)的影响26
• 2.3.5 固化时间对凝胶球去除Cr~(6+)的影响26
• 2.4 结果与讨论26-29
• 2.4.1 羧甲基壳聚糖浓度的影响26-27
• 2.4.2 纳米铁用量的影响27-28
• 2.4.3 交联剂浓度的影响28-29
• 2.4.4 固化时间的影响29
• 2.5 本章小结29-31
• 第3章 包覆纳米铁羧甲基壳聚糖凝胶球的表征31-38
• 3.1 实验材料与方法31
• 3.1.1 实验试剂31
• 3.1.2 实验仪器31
• 3.2 实验方法31
• 3.3 包覆纳米铁羧甲基壳聚糖凝胶球的表征条件31-32
• 3.3.1 透射电镜（TEM）31-32
• 3.3.2 扫描电镜（SEM）32
• 3.3.3 磁滞回线（VSM）32
• 3.3.4 X射线衍射（XRD）32
• 3.4 结果与讨论32-36
• 3.4.1 透射电镜（TEM）32-34
• 3.4.2 扫描电镜（SEM）34-35
• 3.4.3 磁滞回线（VSM）35-36
• 3.4.4 X射线衍射（XRD）36
• 3.5 本章小结36-38
• 第4章 包覆纳米铁羧甲基壳聚糖凝胶球去除水体中六价铬的研究38-44
• 4.1 实验仪器及试剂38
• 4.2 实验方法38-39
• 4.2.1 包覆纳米羧甲基壳聚糖凝胶球的制备38
• 4.2.2 实验过程38-39
• 4.3 结果与讨论39-43
• 4.3.1 投加量对Cr~(6+)去除的影响39-40
• 4.3.2 初始浓度对Cr~(6+)去除的影响40-41
• 4.3.3 初始pH对Cr~(6+)去除的影响41-42
• 4.3.4 反应温度对Cr~(6+)去除的影响42-43
• 4.4 本章小结43-44
• 第5章 反应动力学及机理分析44-56
• 5.1 实验仪器与试剂44
• 5.2 实验方法44-45
• 5.2.1 扫描电镜（SEM）44-45
• 5.2.2 傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）45
• 5.2.3 X射线光电子能谱（XPS）45
• 5.2.4 X射线衍射（XRD）45
• 5.3 结果与讨论45-49
• 5.3.1 投加量与表观速率常数的关系45-46
• 5.3.2 反应温度与表观速率常数的关系46-47
• 5.3.3 Cr~(6+)初始浓度与表观速率常数的关系47-48
• 5.3.4 反应pH与表观速率常数的关系48-49
• 5.4 反应机理初探49-54
• 5.4.1 扫描电镜（SEM）49-50
• 5.4.2 红外光谱（FT-IR）50-51
• 5.4.3 X射线光电子能谱（XPS）51-54
• 5.4.4 X射线衍射（XRD）54
• 5.5 本章小结54-56
• 结论56-58
• 致谢58-59
• 参考文献59-66
• 攻读学位期间取得学术成果66

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