具有金属离子吸附功能的纳米纤维素微滤膜的制备

发布时间：2017-07-27 04:01

  本文关键词：具有金属离子吸附功能的纳米纤维素微滤膜的制备

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【摘要】：近年来,随着全球工业化进程的不断加快,水资源污染问题越来越严重。在众多水污染中,由于重金属离子造成的污染容易在生物链中富集和扩大,并且毒性较强,因此水中的重金属污染问题已经严重危害到生态环境的持续发展和人类的生命健康。目前,常用的处理金属水污染的方法中,膜分离技术广泛应用于废水处理技术中,因为膜分离技术具有诸多优点:不发生相变,能耗低;分离效率高;通常在室温下工作,操作维护简便,可靠性高;占地面积少,而且能处理低浓度重金属废水,部分回收废水中的有用组分。但由于膜造价高,易污染,在很多方面限制了它的应用。纳米技术在纤维素上的应用,给纤维素带来了很多优异的性质,极大的扩展了其应用领域。由于未改性的纳米纤维素对金属离子的吸附能力有限,所以本论文拟采用改性纳米纤维素纤维作为功能吸附层,并利用湿法多层复合技术,以湿法无纺布作为基材,制备一种高通量,低成本,并且具有良好抗污染性能和吸附金属离子的微滤膜。主要研究内容如下:采用四甲基哌啶氮氧化物TEMPO氧化体系对纳米纤维素(Cellulose Nanofibers,CNFs)进行氧化,通过改变次氯酸钠NaClO用量,制备出不同羧基含量的羧基化纳米纤维素(Carboxylated CNFs,C-CNFs)。在碳二亚胺(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)反应体系下,C-CNFs分别与二乙烯三胺(DETA)和乙二胺(EA)进行接枝反应,制备得到氨基化纳米纤维素(Amino CNFs,A-CNFs),用常规扫描电镜SEM,傅氏转换红外线光谱分析仪FTIR,X射线衍射XRD,热重分析仪TG和有机元素分析仪等对其微观结构,官能团,结晶结构,热稳定性和接枝率进行表征,并研究了A-CNFs和C-CNFs对Pb~(2+)和Cr~(6+)吸附能力及其吸附机理。利用湿法技术制备两种湿法无纺布功能微滤膜即C-CNFs-M(C-CNFs-Membrane)和A-CNFs-M(A-CNFs-Membrane),采用死端过滤的方式,研究了微滤膜在不同压力下的纯水通量,截留率,抗污染性能以及对Pb~(2+)和Cr~(6+)吸附性能。主要研究结果如下:(1)随着NaClO用量的增加,羧基含量也相应增加。在次氯酸钠用量为9mmol/g纤维素时,羧基含量为1mmol/g。继续增加次氯酸钠用量,反应时间延长一倍,羧基含量仅增加0.5mmol/g。从表征结果来看,纳米纤维素表面已经成功接枝氨基基团,DETA接枝效果好于EA,热重分析表明改性纳米纤维素热分解温度降低,XRD测试结果表明改性后的纳米纤维素结晶度下降,CNFs的结晶度为62%,C-CNFs为78%,A-CNFs为79%,说明改性反应主要发生在纳米纤维素表面和非结晶区,较少触及结晶区。(2)在pH=5.5时,C-CNFs对于Pb~(2+)的吸附量最大为395mg/g,在pH=4.5时,A-CNFs对Cr~(6+)的吸附量最大为103mg/g。作为吸附剂,C-CNFs和A-CNFs均符合朗缪尔等温吸附模型,说明对金属离子的吸附为单分子层吸附。两种吸附剂也均符合准二级动力学方程,说明吸附过程为化学吸附,吸附动力为离子交换。(3)研究了涂覆3 g/m2纳米纤维素微滤膜在不同压力下的纯水通量,截留率,抗污染性能。主要实验结果如下:中值孔径为0.16um,最大孔径为0.28um,0.1MPa下纯水通量为1200L/(m2·h),两种微滤膜对大肠杆菌的截留率均为100%,A-CNFs-M对BSA的截留率为98%,基于BSA的通量恢复率为95%,而C-CNFs-M的对BSA的截留率为0。(4)C-CNFs-M对于Pb~(2+)的吸附能力要高于氨基,A-CNFs-M对于Cr~(6+)离子的吸附能力要高于羧基。在pH=5.5时,C-CNFs-M对于Pb~(2+)的吸附量最大为380mg/g,在较低的浓度范围内(10mg/L-30mg/L),展现出了较高的吸附效率(大于90%),同时对Pb~(2+)再生效率为95%;在pH=4.5时,A-CNFs-M对Cr~(6+)的吸附量最大为85 mg/g,在较低的浓度范围内(5mg/L-10mg/L),A-CNFs-M展现出了较高的吸附效率(大于95%),同时对Cr~(6+)再生效率为90%。表明两种微滤膜都具有较好的再生使用效率,可以经过简单的酸或碱洗脱进行重复利用。
【关键词】：微滤膜 纳米纤维素 改性 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】：TQ051.893
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-25
• 1.1 水体金属污染的现状及危害12-13
• 1.2 对水中重金属处理方法13-15
• 1.2.1 吸附法13-14
• 1.2.2 絮凝沉淀法14
• 1.2.3 膜分离技术14
• 1.2.4 生物法14
• 1.2.5 离子交换法14-15
• 1.3 纤维素概述15-24
• 1.3.1 纤维素的化学改性16-20
• 1.3.2 改性纤维素类吸附剂吸附重金属离子机理20-21
• 1.3.3 纳米纤维素21-23
• 1.3.4 微滤膜在水处理中的应用23-24
• 1.4 本课题研究内容24-25
• 第二章 纳米纤维素的制备及其改性25-42
• 2.1 引言25
• 2.2 实验材料和仪器25-30
• 2.2.1 原料与试剂25
• 2.2.2 仪器与设备25-26
• 2.2.3 纳米纤维素的制备26
• 2.2.4 TEMPO氧化体系下制备羧基化纳米纤维素26
• 2.2.5 氧化纳米纤维素羧基含量的测定26-27
• 2.2.6 EDC/NHS体系下的氨基接枝反应27
• 2.2.7 纳米纤维素的形貌观察27
• 2.2.8 纳米纤维素红外光谱分析27
• 2.2.9 改性纳米纤维素元素分析以及接枝率27-28
• 2.2.10 改性纳米纤维素XRD分析28
• 2.2.11 改性纳米纤维素热重分析28
• 2.2.12 pH对改性纳米纤维素吸附量的影响28-29
• 2.2.13 纳米纤维素吸附材料对于不同的初始金属离子浓度的吸附效率29
• 2.2.14 改性纳米纤维素经洗脱后再生使用效率的测定29-30
• 2.3 结果与讨论30-40
• 2.3.1 纳米纤维素的打浆度测定30
• 2.3.2 常规扫描电镜观察30-32
• 2.3.3 TEMPO氧化纳米纤维素的羧基含量检测32
• 2.3.4 红外光谱分析32-34
• 2.3.5 有机元素分析34-35
• 2.3.6 X射线衍射分析35
• 2.3.7 热重分析35-36
• 2.3.8 pH对改性纳米纤维素吸附性能的影响36-38
• 2.3.9 初始金属离子浓度对改性纳米纤维素吸附性能的影响38-40
• 2.3.10 改性纳米纤维素再生使用效率40
• 2.4 本章小结40-42
• 第三章 改性纳米纤维素吸附材料对金属离子的吸附机理研究42-47
• 3.1 引言42
• 3.2 常用吸附模型42-43
• 3.2.1 Langmuir等温吸附模型42-43
• 3.2.2 动力学吸附模型43
• 3.3 改性纳米纤维素作为吸附剂的等温吸附机理研究43-44
• 3.4 改性纳米纤维素作为吸附剂的动力学吸附机理研究44
• 3.5 等温吸附模型44-45
• 3.6 动力学吸附模型45-46
• 3.7 本章小结46-47
• 第四章 纳米纤维素微滤膜的制备与性能表征47-63
• 4.1 引言47
• 4.2 原料与设备47
• 4.3 纳米纤维素微滤膜的制备47-48
• 4.4 纳米纤维素微滤膜的性能表征48-50
• 4.4.1 纳米纤维素微滤膜微观形貌观察48
• 4.4.2 纳米纤维素微滤膜纯水通量的测试48
• 4.4.3 截留率的测定48-49
• 4.4.4 纳米纤维素微滤膜抗污染性能的测定49
• 4.4.5 纳米纤维素微滤膜孔径大小及孔隙率的测定49
• 4.4.6 pH对纳米纤维素微滤膜Pb~(2+)，Cr~(6+)吸附性能研究49-50
• 4.4.7 纳米纤维素微滤膜对于不同的初始金属离子浓度的吸附效率50
• 4.4.8 纳米纤维素微滤膜经洗脱后再生使用效率的测定50
• 4.5 结果与讨论50-62
• 4.5.1 纳米纤维素微滤膜的形貌观察50-52
• 4.5.2 纳米纤维素微滤膜的孔径大小及孔隙率52-53
• 4.5.3 纳米纤维素微滤膜纯水通量的测试53-55
• 4.5.4 纳米纤维素微滤膜抗污染性能研究55-56
• 4.5.5 纳米纤维素微滤膜截留率的测定56-57
• 4.5.6 两种纳米纤维素微滤膜对金属Pb~(2+)过滤吸附结果57-59
• 4.5.7 两种纳米纤维素微滤膜对金属Cr~(6+)过滤吸附结果59-61
• 4.5.8 纳米纤维素微滤膜的再生吸附效率61-62
• 4.6 本章小结62-63
• 结论63-65
• 引用文献65-72
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果72-73
• 致谢73-74
• 答辩委员会对论文的评定意见74

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