壳聚糖纳米材料的制备及其在重金属废水处理中的应用

发布时间：2017-07-07 07:19

  本文关键词：壳聚糖纳米材料的制备及其在重金属废水处理中的应用

  更多相关文章： 壳聚糖 化学改性 纳米材料 吸附 重金属离子

【摘要】：水污染是工业化和城市化伴随而来的一个很严重的问题。矿冶、机械、制造、化工、电气、仪表、建筑、国防等工业生产过程中排出的含铅、镉、汞、铬、铜、镍等重金属离子的废水,是对水体污染最严重的工业废水之一。重金属在水体和土壤中不能被微生物降解,只能发生各种形态的相互转化、分散和富集过程,它们对人类健康和生态环境可造成无法逆转的严重伤害。因此,重金属废水的处理非常关键。目前世界各国采用的重金属废水处理方法主要有化学法、物理法和生物法等。与其它处理方法相比,吸附法具有操作简便和成本低等优点。因此,寻找具有广泛应用前景且经济、环保、高效的新型吸附剂材料具有重要的意义。本文使用壳聚糖为原材料,与功能烯烃单体进行控制接枝聚合,再适度交联,制备了三种改性壳聚糖纳米材料,对其形貌和结构进行了表征,并研究了它们对水溶液中重金属离子的吸附性能。具体内容如下:1.Pb~(2+)模板交联壳聚糖纳米吸附剂的制备及其吸附性能以Pb~(2+)作为模板离子,通过壳聚糖与丙烯酸的控制接枝聚合,然后再与戊二醛适度交联,制备了铅模板壳聚糖纳米颗粒吸附剂(PAACS)。采用FT-IR、XRD、SEM和元素分析等方法对该产物的形貌和结构进行了表征。比较了该吸附剂对不同重金属离子的吸附容量并系统研究了该吸附剂对Pb~(2+)的吸附性能。结果表明,该产物是直径为50-200 nm的纳米颗粒,对Pb~(2+)有吸附选择性。在溶液pH值为5、温度为303 K时,最大吸附量可达734.3 mg g-1,高于其它经文献报道的模板产物。吸附过程符合拟二级动力学方程和Langmiur吸附等温模型。吸附是自发过程。温度超过303 K时,吸附由化学过程转化为物理过程。吸附剂可用EDTA脱附再生,因此可作为一种高容量和具有选择性的吸附剂用于含Pb~(2+)的废水处理。2.聚马来酸接枝交联壳聚糖的制备及其对Hg(II)的吸附性能研究壳聚糖接枝聚马来酸后再与戊二醛交联,制得一种新型的壳聚糖纳米吸附剂(PMACS)。运用FT-IR、XRD、SEM、TGA等方法表征了吸附剂的形貌和结构,比较了该吸附剂对不同金属离子的吸附性能,系统研究了该吸附剂在不同条件下对Hg~(2+)的吸附情况。实验结果表明,PMACS是平均直径为496 nm的纳米聚集体,对Hg~(2+)有较高的吸附选择性,303K时的最大吸附量可达1044 mg g-1(pH=6),接近目前文献报道的吸附剂中的最高吸附量。动力学研究表明,该吸附过程服从拟二级动力学模型,主要由化学过程控制。吸附等温线与Langmuir等温模型非常吻合。热力学研究表明,该吸附是吸热的自发过程。吸附容量随温度升高而增大。吸附剂可以用EDTA回收。因此,该材料作为一种选择性和高容量的吸附剂有望应用于含Hg~(2+)的污水处理。3.聚衣康酸接枝交联壳聚糖纳米材料的制备及其吸附Hg~(2+)、Pb~(2+)的性能研究壳聚糖通过与衣康酸进行适度的接枝聚合,然后再与戊二醛适度交联,成功制备出了聚衣康酸接枝交联壳聚糖纳米吸附剂(PIACS)。该吸附剂的形貌和结构分别用FT-IR、XRD、SEM和TGA进行了表征,并研究了该吸附剂对Hg~(2+)、Pb~(2+)的吸附性能。结果表明,该吸附剂对Hg~(2+)、Pb~(2+)的吸附最佳pH分别为6和5,在303 K时的最高吸附容量分别为870.1 mg g-1、1320 mg g-1。两者的吸附过程均符合拟二级动力学和Langmiur吸附等温模型。热力学实验表明,当温度由293 K升高至333 K时,PIACS对Pb~(2+)的吸附是自发的放热过程,而对Hg~(2+)的吸附则几乎不受温度的影响。重复性实验表明,该吸附剂吸附Hg~(2+)、Pb~(2+)后均可用EDTA脱附再生。上述三种接枝交联壳聚糖纳米吸附剂,对废水中的重金属离子Pb~(2+)和Hg~(2+)具有较高的吸附量和较好的吸附性能。因此,它们在相关重金属离子的废水处理中将具有良好的应用前景。
【关键词】：壳聚糖 化学改性 纳米材料 吸附 重金属离子
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O636.1;X703
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-26
• 1.1 重金属离子的危害13
• 1.2 水体重金属的来源13-14
• 1.3 水体重金属污染的主要处理方法14-19
• 1.3.1 化学法14
• 1.3.2 物理化学法14-16
• 1.3.2.1 吸附法15
• 1.3.2.2 溶剂萃取法15
• 1.3.2.3 离子交换法15-16
• 1.3.2.4 膜分离技术16
• 1.3.3 生物法16-17
• 1.3.4 吸附法和吸附剂17-19
• 1.3.4.1 活性炭17-18
• 1.3.4.2 碳纳米管18
• 1.3.4.3 石墨烯(氧化石墨烯)18-19
• 1.3.4.4 其它吸附剂19
• 1.4 壳聚糖及其衍生物的简介和应用19-23
• 1.4.1 壳聚糖的结构简介19-20
• 1.4.2 壳聚糖的理化性质20-21
• 1.4.3 壳聚糖的应用21
• 1.4.4 壳聚糖的改性21-23
• 1.4.4.1 交联22
• 1.4.4.2 模板法22
• 1.4.4.3 接枝共聚22-23
• 1.5 改性壳聚糖在吸附重金属离子方面的应用23-24
• 1.6 本课题的研究背景和研究内容24-26
• 1.6.1 立题背景24-25
• 1.6.2 研究内容25-26
• 第二章 Pb~(2+)模板交联壳聚糖纳米吸附剂的制备及其吸附性能26-41
• 2.1 实验部分27-31
• 2.1.1 试剂与仪器27-28
• 2.1.1.1 实验试剂27
• 2.1.1.2 实验仪器与设备27-28
• 2.1.2 Pb~(2+)模板交联壳聚糖吸附剂的合成28-29
• 2.1.2.1 合成路线28-29
• 2.1.2.2 铅模板交联壳聚糖吸附剂的制备29
• 2.1.3 产物的性能表征29
• 2.1.4 吸附实验29-31
• 2.1.4.1 不同离子的吸附29-30
• 2.1.4.2 pH对吸附容量的影响30
• 2.1.4.3 吸附动力学30
• 2.1.4.4 吸附等温线30
• 2.1.4.5 吸附热力学30
• 2.1.4.6 吸附剂用量的影响30
• 2.1.4.7 重复性实验30-31
• 2.2 结果讨论与分析31-40
• 2.2.1 产物结构和形貌表征31-33
• 2.2.1.1 红外光谱31
• 2.2.1.2 XRD分析31-32
• 2.2.1.3 扫描电镜32
• 2.2.1.4 元素分析32-33
• 2.2.2 不同离子的吸附33
• 2.2.3 pH的影响33-34
• 2.2.4 动力学曲线34-35
• 2.2.5 等温曲线35-37
• 2.2.6 热力学曲线37-39
• 2.2.7 吸附剂用量的影响39
• 2.2.8 脱附与再生39-40
• 2.3 本章小结40-41
• 第三章 聚马来酸接枝交联壳聚糖的制备及其对Hg(II)的吸附性能研究41-55
• 3.1 实验部分42-45
• 3.1.1 试剂与仪器42
• 3.1.1.1 实验试剂42
• 3.1.1.2 仪器与设备42
• 3.1.2 聚马来酸接枝壳聚糖的纳米吸附剂的合成42-44
• 3.1.3 产物的性能表征44
• 3.1.4 吸附性能测试44
• 3.1.5 吸附剂再生44-45
• 3.2 结果与讨论45-54
• 3.2.1 产物的结构与形貌表征45-47
• 3.2.1.1 红外45
• 3.2.1.2 X-射线衍射45-46
• 3.2.1.3 扫描电镜图46-47
• 3.2.1.4 热重分析47
• 3.2.2 不同离子的吸附情况47-48
• 3.2.3 pH对吸附的影响48
• 3.2.4 吸附动力学48-49
• 3.2.5 等温曲线49-52
• 3.2.6 热力学研究52-53
• 3.2.7 吸附剂用量的影响53-54
• 3.2.8 吸附剂再生54
• 3.3 本章小结54-55
• 第四章 聚衣康酸接枝交联壳聚糖纳米材料的制备及其吸附Hg~(2+)和Pb~(2+)的性能研究55-68
• 4.1 实验部分56-58
• 4.1.1 试剂与仪器56-57
• 4.1.1.1 实验试剂56
• 4.1.1.2 仪器与设备56-57
• 4.1.2 聚衣康酸接枝交联壳聚糖的合成57-58
• 4.1.3 产物的性能表征58
• 4.1.4 吸附性能测试58
• 4.2 结果与讨论58-67
• 4.2.1 产物的结构与形貌表征58-61
• 4.2.1.1 FT-IR58-59
• 4.2.1.2 XRD59
• 4.2.1.3 SEM59-60
• 4.2.1.4 TGA60-61
• 4.2.2 不同离子的吸附情况61
• 4.2.3 溶液pH对吸附量的影响61
• 4.2.4 动力学曲线61-63
• 4.2.5 等温曲线63-65
• 4.2.6 热力学研究65-66
• 4.2.7 吸附剂用量的影响66-67
• 4.2.8 吸附剂再生性能67
• 4.3 本章小结67-68
• 结论68-70
• 参考文献70-84
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果84-85
• 致谢85-86
• 附件86

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8 记者 任雪梅　莫璇;中科院纳米材料产业园落户佛山[N];佛山日报;2011年

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