基于壳聚糖和石墨相氮化碳的净水材料制备及其机理研究

发布时间：2020-06-16 13:17

【摘要】：随着工业化的不断发展和生活水平的逐渐提高,日益严重的水污染问题与人们对清洁健康的水体要求之间形成了巨大的矛盾。特别是一些难降解的污染物,给传统的水处理技术带来了极大的挑战。因而,寻找高效、经济、环保的新型技术和净水材料成为了学者们关注的焦点。本研究选取天然高分子材料壳聚糖和石墨相氮化碳为研究对象,针对不同的污染物通过改性制备出多种新型净水材料,并研究了相关的净水机理,同时利用磁分离技术强化材料的分离和回用,从而为绿色净水材料的实际性应用进行了初步的探索。主要包括以下内容:(1)研究了铝掺杂的壳聚糖铁凝胶对氟离子的去除性能及吸附机理。相比于单金属改性材料,该吸附剂表现出更高的除氟能力,也更能抵抗溶液中pH的变化和共存离子的影响。吸附过程符合Langmuir等温吸附模型,最大吸附容量达到了 31.16mg/g。吸附的主要机理为配体交换和离子交换。使用后吸附剂可以通过NaOH和HC1溶液进行快速的脱附再生。(2)提出了一种壳聚糖-铁交联共沉淀制备磁性粉末活性炭的方法,制备过程简单、绿色,且原料易得廉价。该吸附剂对水中盐酸四环素的去除快速且高效,基本不受pH(3～11)、共存离子和几种常见有机物的影响,其吸附机理主要是吸附剂和吸附质的色散相互作用。并且该吸附剂再生方便、适用于不同浓度水平和不同种类抗生素的去除。设计了一种具有磁分离功能的流化床反应器,可以简单快速地实现磁性吸附剂对污染物的吸附、与溶液的分离与原位再生。(3)制备了铁掺杂的石墨相氮化碳/介孔石墨碳类芬顿催化剂,可用于4～10的pH范围内对污染物的高效去除。在中性条件下,40min内对酸性红73染料的催化去除率达到了 99.2%,TOC去除率达到了 42.9%,降解过程符合准一级动力学模型。通过拟合反应速率常数和Fe各组分含量之间的关系,我们得出Fe-N为催化反应主要的活性位点。介孔石墨碳的加入促进了 Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)的循环过程,从而极大地提高了催化剂的催化能力。(4)制备了稳定的亚铜-石墨相氮化碳材料,该材料表现出良好的类芬顿催化性能,中性条件下在lh内对罗丹明B染料的催化去除率达到了 99.2%。在制备过程中,Cu前驱体自发地被还原,Cu+因此通过与吡啶N的配位稳定地存在于g-C3N4结构中。同时利用XAFS等实验手段解析出分子中独特的Cu-N2结构,由于该结构配位不饱和,因此对H202的活化表现出了高度的活性。在反应结束后,Cu的价态和配位结构没有发生明显的变化,表明该亚铜材料具有较高的稳定性。(5)利用石墨代替先前研究中价格昂贵的介孔石墨碳,并结合壳聚糖-铁交联共沉淀的方法制备出磁性铁掺杂石墨相氮化碳/石墨复合材料。制备过程中不同的载体会对催化剂的形貌、活性位点等产生很大的影响。与活性炭和SBA-15相比,石墨的引入不仅能增加Fe-N活性位点的数量,同时也会通过与石墨相氮化碳的电子相互作用提高电子传递速率,从而增加催化剂的反应活性。该催化剂对水中双酚A的催化去除表现出了较高的活性、较好的稳定性和循环使用性能,并且通过外加磁场,可以将其迅速地从水中分离,使得该材料在水处理中拥有广阔的应用前景。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703
【图文】：

线路图,论文研究,线路图,净水机理

料的分离和回收利用；同时，通过同步辐射技术等先进的表征方法，研究材料的逡逑结构和净水机理，为绿色净水材料的开发和实际应用提供一定的研究基础。本文逡逑基本思路如图１．３所示。逡逑１９逡逑

谱图,氟离子,壳聚糖,吸附剂

２铝掺杂的壳聚糖－铁凝胶的制备及其机理研究逡逑２．３．１改性前后壳聚糖表面的物化特性分析逡逑ＦＴＩＲ可用于研究材料表面的官能团结构。图２．１给出了改性前后的壳聚糖逡逑表面官能团在吸附Ｆ前后的变化情况。其中原始壳聚糖的谱图与文献［１３0］中类似，逡逑在波数３４１９ｃｍ－１附近的宽的吸收峰是由－０Ｈ和－ＮＨ２伸缩振动重叠所引起的；波逡逑数为１６５０邋ｃｍ－１的吸收峰被认为是酰胺Ｉ带的特征吸收峰，通常用这一吸收峰的逡逑强度来定量分析分子中的Ｎ－乙酰基的含量［１３１］；邋１５９９邋ｃｍ－１处为Ｎ－Ｈ的弯曲振动逡逑峰；而在２８７６、１４２３、１３７３和１０７８处的峰则与脂肪Ｃ－Ｈ键、０－Ｈ键、－ＣＨ３对逡逑禾Ｊ、变形振动以及环内Ｃ－０－Ｃ伸缩振动相关。经过金属改性后，无论是0．２５Ａｌ＿逡逑０５、０．２５？６－０３还是以－０５＾，表现出了一致的变化规律。在３４１９0１１－１处的峰逡逑发生红移，并且变得更加平缓，证明了游离的－ＯＨ和－ＮＨ２减少；而原有的酰胺Ｉ逡逑带和Ｎ－Ｈ弯曲振动峰消失，并在？１６３２邋ｃｍ－１处出现新的吸收峰，表明原有的氨逡逑基与金属结合［１３２］；此外，在－１５１２ｃｍ－１处出现的新的吸收则被认为是由铵盐引起逡逑的。当吸附Ｆ后

【参考文献】