聚环氧氯丙烷二甲胺改性离子交换树脂D301及其对Cr（Ⅵ）的去除性能研究

发布时间：2020-07-23 23:51

【摘要】：Cr(Ⅵ)具有高生物毒性和致癌性,是环境中常见的有毒元素,对大多数生物和自然水体会造成有害影响。离子交换树脂具有较高的机械强度和良好的可循环利用性能,是一种广泛使用的吸附剂。本文以大孔苯乙烯系弱碱性阴离子交换树脂D301为吸附剂,针对其吸附容量有限、选择性较差等问题,以聚环氧氯丙烷二甲胺(EPI-DMA)为改性剂,通过不同方法对其进行改性,制备出比表面积较高、吸附性能较好的复合吸附剂,并将其应用于废水中Cr(Ⅵ)的去除。利用静态氮吸附仪、Zeta电位仪、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、X-射线光电子能谱仪(XPS)等相关仪器,对吸附剂的比表面积、Zeta电位和结构成分等进行了分析,研究了改性前后的树脂对Cr(Ⅵ)的去除性能变化,探讨了相应的吸附机理。主要研究内容及相关结论如下:1.以D301树脂为原料,以聚合物EPI-DMA为改性剂对D301树脂进行表面修饰,制备了复合树脂EPIDMA-D301,并将其用于对废水中Cr(Ⅵ)的去除。结果表明,相比于D301,EPIDMA-D301对Cr(Ⅵ)的吸附性能明显提高,且受其他离子影响较小。吸附行为更符合伪二级动力学模型和Langmuir模型,饱和吸附量为 194mg/g。通过BET、Zeta电位、FT-IR及XPS分析发现,EPIDMA-D301比表面积增大,N、Cl元素含量增加,吸附剂表面正电荷增多,功能基团结构发生变化,说明聚合物EPI-DMA成功负载到D301树脂。FT-IR及XPS结果表明,EPIDMA-D301对Cr(Ⅵ)的吸附机理主要为负载到树脂上的聚合物所带的季铵基与Cr(Ⅵ)阴离子的静电引力以及树脂的功能基团与Cr(Ⅵ)的离子交换作用。2.以D301树脂为原料,二甲胺、环氧氯丙烷和乙二胺单体为改性剂,通过原位聚合法对D301树脂进行接枝共聚,制备了复合树脂EDE-D301,并将其对Cr(Ⅵ)的去除性能与EPIDMA-D301比较。结果表明,EDE-D301对Cr(Ⅵ)具有较高的吸附性能,且受其他离子影响较小。拟合数据更符合Langmuir等温吸附模型,饱和吸附量为298mg/g。通过BET、Zeta电位、FT-IR及XPS分析发现,相比于EPIDMA-D301,EDE-D301具有更高的比表面积,N、Cl元素含量分别增加3.87%和5.75%,树脂表面质子化程度更高,说明单体形式的改性剂更易进入树脂孔隙,有效提高了 EDE-D301对Cr(Ⅵ)的吸附性能。FT-IR及XPS结果表明,EDE-D301对Cr(Ⅵ)的吸附机理主要为单体在树脂中聚合形成的功能基团与Cr(Ⅵ)阴离子的静电吸附作用以及树脂的功能基团与Cr(Ⅵ)的离子交换作用。3.系统研究了两种改性树脂EPIDMA-D301、EDE-D301对Cr(Ⅵ)的动态吸附实验,考察了吸附柱高度、反应流速以及进水初始浓度对Cr(Ⅵ)穿透时间的影响,以此评估了吸附剂对Cr(Ⅵ)的去除性能。结果表明:吸附剂对Cr(Ⅵ)的穿透时间均随吸附柱高度的增加而延长,随流速和进水浓度的增大而缩短,且在相同条件下,EDE-D301对Cr(Ⅵ)的吸附量比EPIDMA-D301高,达到饱和所需时间也较长。动态吸附行为更符合Thomas模型。此外,经过四次循环后,EDE-D301仍保持较好的吸附性能。EDE-D301可以有效地去除废水中的Cr(Ⅵ),为实际工业应用中的装置设计提供了理论依据。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ425.23;X703
【图文】：

将不同浓度的Ｃｒ（ＶＩ）溶液以不同的流速通过吸附柱，采用蠕动泵连续进水，逡逑以保持恒定的进水流速。用ｌＯｍＬ离心管间隔取样，测定吸附柱出口处的Ｃｒ（ＶＩ）逡逑浓度，得到吸附柱对Ｃｒ（ＶＩ）溶液的吸附穿透曲线。简易装置如图２－１所示。逡逑￡＼逡逑ｉ邋＾逦％逡逑１逡逑；［邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ逡逑Ｓｄｓｏｒｂｅｎｔｓ逦：逡逑—邋Ｌ逡逑ｅｆｆｌｕｅｎｔ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ逦ｐｅｒｉｓｔａｌｔｉｃ邋ｐｕｍｐ邋ｉｎｆｌｕｅｎｔ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ逡逑图２－１动态吸附简易装置图逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｓｉｍｐｌｅ邋ｄｅｖｉｃｅ邋ｏｆ邋ｆｉｘｅｄ－ｂｅｄ邋ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ逡逑动态饱和吸附容量懫用以下公式进行计算：逡逑４邋（２－１２）逡逑（２－１３）逡逑１７逡逑

溶液对树脂进行表面修饰，以改性后树脂的Ｚｅｔａ电位及其对Ｃｒ（ＶＩ）的去除率为逡逑衡量指标，来选择最佳的聚合物浓度对树脂进行改性。不同浓度的ＥＰＩＤＭＡ改逡逑性树脂的Ｚｅｔａ电位及其对Ｃｒ（ＶＩ）的去除率结果如图３－１所示。逡逑１００邋逦．６０逡逑■邋＾＾逡逑９０邋－逦Ｉ；／一＾＾逦１逦５０逡逑ｉ邋？逦－４０Ｎ逡逑１邋■邋／邋／邋－３０１逡逑ｓ邋７０－邋广邋／逦■邋Ｉ逡逑！逦ｋ逦－２0ｆ逡逑１邋６？；邋／邋／邋＾逡逑—ｈ￣￣邋Ａｄｓｏｒｂａｔｅ邋ｒｅｍｏｖａｌ邋（％）逡逑￥逦逦Ｚｔｅａ邋ｐｏｔｅｎｔｉａｌ邋（ｍＶ）逡逑５０邋Ｉ逦１——－——ｉ——＇邋１——＊——？——＊——ｉ——＇——？邋１0逡逑０逦２逦４逦６逦８逦１０逡逑Ｔｈｅ邋ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ＥＰＩＤＭＡ邋（％）逡逑图３－］聚合物ＥＰＩＤＭＡ浓度（％）对Ｚｔｅａ电位和Ｃｒ（ＶＩ）去除率的影响逡逑Ｆｉｇ．邋３－１邋Ｅｆｆｅｃｔ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ＥＰＩＤＭＡ邋（％）邋ｏｎ邋Ｚｅｔａ邋ｐｏｔｅｎｔｉａｌ逡逑ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ｒｅｍｏｖａｌ邋ｏｆ邋Ｃｒ（ＶＩ）逡逑２１逡逑

吸附剂的表面性质影响其去除水中污染物的能力，改性前后吸附剂的表面电逡逑荷会发生变化，进而影响其吸附性能。采用微电泳仪测定吸附剂在ｐＨ２？１０条件逡逑下的Ｚｅｔａ电位，结果如图３－２所示。逡逑由图可见，在测定ｐＨ范围内，吸附剂的Ｚｅｔａ电位随着ｐＨ值的增加而不断逡逑减小，且ＥＰＩＤＭＡ－Ｄ３０１的Ｚｅｔａ电位明显高于Ｄ３０１。在ｐＨ为２时，未改性的逡逑弱碱性树脂Ｄ３０１在水中离解后带有较弱的正电荷，其Ｚｅｔａ电位为＋１０．７ｅＶ，而逡逑直接插入法改性后的树脂吸附剂ＥＰＩＤＭＡ－Ｄ３０１的Ｚｅｔａ电位为＋３７．３ｅＶ，这是因逡逑为改性后的树脂表面负载了带有大量正电荷的季铵基团，使树脂表面的正电荷显逡逑著增加。随着ｐＨ不断增加，溶液中存在大量的ＯＨ＿离子，吸附剂会与之结合使逡逑表面呈现负电性，从而使Ｚｅｔａ电位不断降低。逡逑等电点ｐＨｐｚｅ是指吸附剂表面正负电荷相等时的ｐＨ值

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本文编号：2768006