ATRP法制备柚皮微晶纤维素高效重金属吸附剂及其性能的研究

发布时间：2020-07-23 14:13

【摘要】：近年来,现代城市化的步伐不断加快,随之产生的环境问题使人类付出了巨大的代价,尤其是水污染问题变得越来越突出。其中,重金属污染是对人类日常生活威胁最大的水污染之一。重金属的特点包括毒性大、容易富集于动植物体内、不易被降解等,经过扩散、转移后能通过食物链慢慢积累进人体,往往导致人体健康受到毁灭性伤害。因此,重金属污染问题目前已经成为环境保护的突出问题。生物吸附法解决重金属污染具有吸附效果好、实施成本低、选择性高等优点,具有广阔的应用前景。本论文以我国常见的农林废弃物柚皮为原料,利用化学分离方法提取其中所含有的纤维素,研究NaOH浓度、H_2O_2浓度、反应温度、反应时间等提取条件对纤维素含量的影响,并采用响应面分析法(RSM法)在单因素实验结果的基础上设计17组实验方案,利用回归方程分析得到最佳提取工艺,并通过SEM、FT-IR、XRD等分析手段对柚皮纤维素的表面形态、官能团以及结晶度进行表征分析。由单因素实验结果可知,在NaOH浓度、反应温度、H_2O_2浓度、反应时间分别为8%、30℃、8%、120min的实验条件下,纤维素含量达到最高;响应面法分析得到的柚皮纤维素最佳提取工艺为NaOH浓度8%,反应温度34℃,反应时间124min,验证实验结果为62.06%。FT-IR和XRD分析从柚皮纤维素的官能团、结构、晶型等角度,进一步定性了被检测物主要含有纤维素。由SEM的分析结果可以发现,柚皮纤维素的长链没有遭到破坏,且表面较为光滑,形状变化不显著。随后将柚皮纤维素酸解制备得到柚皮微晶纤维素,再采用ATRP法在其表面接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)单体,并通过开环聚合引入氨基,研究接枝时间和氨化时间分别对接枝率和Cu(Ⅱ)吸附量的影响,并通过SEM、FT-IR、XPS等分析手段进行表征。结果表明:以氨化柚皮微晶纤维素对Cu(Ⅱ)的吸附量和GMA接枝到柚皮微晶纤维素表面的接枝率大小为依据,得到最佳ATRP反应时间为2.5h,最佳氨化反应时间为64h。由SEM、FT-IR和XPS表征从柚皮微晶纤维素的表面形貌、官能团、元素、化学键等角度,进一步证明了利用ATRP法在其表面成功接枝了GMA单体,并成功引入了氨基,从而为Cu(Ⅱ)的吸附提供了大量位点。研究氨化柚皮微晶纤维素吸附剂分别对Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的吸附动力学、吸附等温线以及pH和ATRP反应时间对吸附量产生的影响。由上述实验数据及处理可以得到以下结论:改性柚皮微晶纤维素对Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的吸附平衡时间分别为7h和3h;氨化吸附剂对Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的吸附过程与Langmuir模型(R~2=0.9934、0.9736)拟合之后结果更接近,最大吸附量分别为2.52mmol/g和1.46mmol/g,比目前文献中报道的大多数吸附剂的吸附量都高。当溶液pH为2.5~3时,氨化吸附剂对Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)几乎没有吸附效果,随后吸附量随着pH的升高而快速增大,当pH大于5.5时,含有两种重金属离子的溶液会产生氢氧化物沉淀,最佳pH值为5~5.5。氨化吸附剂的吸附量随着ATRP反应时间快速增加,并在2.5h时达到平衡。
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ424
【图文】：

吸附材料,吸附剂,离子交换能力

吸附剂的分类（1）无机吸附材料

分子链结构,纤维素

7有效期长等优点。图1.2 纤维素分子链结构式（3）复合型吸附材料复合型吸附材料一般指的是两种或两种以上物理、化学性质不同的材料采用化学合成等方式进行设计后复合而成的吸附材料。它可以根据实际生活中的需求和吸附对象的结构性质来进行多样化的设计和合成，因此它相较于天然吸附材料而言可以有效地增加合成过程中的可控性、可设计性和可预期性，同时其拥有的优异性能（比如：机械性能、热稳定性）也是其他单一材料所不可比拟的[30-31]。根据复合过程中基体材料选择的差异可以将其分为三类，分别为有机/有机型，无机/有机型和无机/无机型[32]。其中，无机材料因为其来源广泛且价格便宜，用来作为复合材料的基材有相当大的优势。高薇等[33]运用硫酸亚铁-硝酸钾氧化法成功制备得到一种复合吸附剂，由所得的实验结果可知，该吸附剂具有很高的磁化率，随着pH的逐渐升高，其对亚甲基蓝的吸附效果不断变得更加优异。1.2.2 吸附剂结构及吸附机理吸附作用是指当吸附剂与吸附质在两相相交的界面上刚接触时就自发产生反应的现象

示意图,聚合机理,过渡金属,示意图

ATRP聚合机理示意图

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