保水剂负载纳米水合锰氧化物制备及其去除镉的研究

发布时间：2017-10-08 15:42

  本文关键词：保水剂负载纳米水合锰氧化物制备及其去除镉的研究

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【摘要】：目前南方耕地中重金属镉污染已成为严重的环境问题。土壤重金属镉污染不但制约着农业生产和同时也影响社会稳定。据报道,湖南1/3左右的耕地被镉污染,且多次引发突发性污染事件,特别是2011年和2013年发生的“镉米”事件,沉重地冲击了我省稻米市场,影响社会稳定。根据我国地少人多的现状,我们不可能停止所有在重金属镉污染土壤尤其是中轻度污染耕地上的农业生产活动,或者将其转变为非农业用地。因此,发展原位固定土壤中重金属镉的技术,实现边生产边修复具有重要的意义。纳米材料对重金属镉具有很强的吸附固定作用,在原位固定土壤中镉具有潜在的应用价值。然而,纳米材料表面极不稳定,易聚集,易受环境干扰,严重影响其在土壤中的实际应用效果。而将纳米材料架构在具有强吸水能力的聚合物上,不但解决了纳米材料在土壤中易聚集的难题,而且能够防止土壤中大分子有机质及粘土矿物对其吸附固定重金属镉的干扰。本文利用共聚合成的方法,将纳米水合锰氧化物(MO)负载在保水剂：聚丙烯酰胺-丙烯酸钠(PP)上,制成有机-无机复合材料(PPM)。利用红外光谱分析(FTIR)、X射线衍射光谱(XRD)、X光电子能谱(XPS)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)和色散谱(EDS)等方法对复合材料的结构及其吸附的机制进行分析。同时研究了不同镉浓度、pH、时间、竞争性阳离子等因素对PPM吸附镉的影响。TEM显示复合体中大部分MO粒径分布在5-20 nm。吸附实验表明PP负载一定量MO(1.05%)后能显著提高其对溶液中镉的去除能力,当镉浓度达到100 mg/L时,PPM的吸附容量达到507.98 m/g,而PP为281.19 m/g。同时在0.1 mol/L NaCl条件下,PPM比PP表现出更好的吸附能力,表明其MO具有一定的抗盐干扰的能力。XPS显示67%的镉被MO吸附,而33%的镉被PP吸附,这主要是基于道南定律(PP对阳离子预富集作用)和MO对镉的强专属吸附联合作用所致。通过模拟PPM存在于土壤中的情况,设置淋滤实验和萌发实验探究材料吸附渗透液中镉的效应及对白菜种子萌芽及生长影响。结果显示淋滤实验干湿交替和湿两组中PPM吸附效率基本相同,分别为90%和91%。在100 mg/L培养液中添加PPM培育出来的白菜芽长(2.0 cm)远远高于不加PPM的芽长(0.9 cm),表明该复合材料施用于土壤中能有效地净化土壤中含镉渗透液,固化土壤渗透液中的重金属离子,阻止重金属离子向植物体内迁移。在实际应用中土壤溶液中钙离子的浓度约为镉的103-105倍,严重干扰固定剂对镉的固定效果。通过Materials Stuido软件计算,氨基对镉离子具有一定的选择性吸附。为提高材料对镉离子的选择性,向原材料中添加丙烯胺单体(AN),使丙烯胺和丙烯酸的配比达到1：1,形成氨基强化的保水剂负载纳米水合锰氧化物复合体(PPM-NH2),并研究了其在钙离子干扰下对镉的吸附情况。结果显示,在不同钙盐浓度干扰下PPM-NH2比PPM吸附效率要高。当溶液中钙浓度为2 mol/L,镉浓度为100 m/L时PPM-NH2的吸附效率为17.6%,而PPM的吸附效率为‘3.8%。当溶液中钙浓度为0.2 mol/L,镉浓度为1 mg/L时PPM-NH2的吸附效率为26.4%,而PPM的吸附效率为15.1%。并探究在不同有机酸、竞争性阳离子浓度下对镉吸附的影响。除了腐殖酸外,PPM-NH2吸附效率随着有机酸浓度增加逐步下降。同等离子摩尔浓度下,不同离子对PPM-NH2的干扰排序为Ca2+Mg2+Na+。种子萌发实验表明在0.01 mol/L浓度的钙和1 mg/L的镉离子存在条件下PPM-NH2比PPM对镉吸附更具选择性。
【关键词】：聚丙烯酰胺 聚丙烯酸钠 保水剂 水合锰氧化物 丙烯胺 镉 土壤
【学位授予单位】：湖南农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X53
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstrract6-12
• 第一章 绪论12-25
• 1 土壤中镉的污染状况及治理研究进展12-19
• 1.1 土壤中镉的来源和分布12-14
• 1.1.1 镉的来源12-13
• 1.1.2 镉在土壤中的形态及分布状况13-14
• 1.2 土壤中镉的危害14-15
• 1.2.1 镉对农作物的危害14
• 1.2.2 镉对土壤微生物的危害14
• 1.2.3 镉对土壤中土居动物蚯蚓的的危害14-15
• 1.2.4 镉对人体的危害15
• 1.3 土壤重金属修复措施15-19
• 1.3.1 工程修复15-16
• 1.3.2 物化修复16
• 1.3.3 化学修复16-17
• 1.3.4 生物修复17-18
• 1.3.5 生态修复18-19
• 2 纳米材料吸附技术19-22
• 2.1 纳米吸附剂的概念19-20
• 2.2 保水剂载纳米吸附剂复合材料20-22
• 3 固化土壤中镉的新思路22-23
• 4 本课题的研究内容23
• 5 本课题的研究意义23-25
• 第二章 聚丙烯酰胺/丙烯酸钠负载纳米水合锰氧化物材料的制备及吸附镉的研究25-38
• 1 实验部分25-27
• 1.1 化学试剂和仪器25
• 1.2 PPM的制备25
• 1.3 实验方法25-27
• 2 结果与讨论27-36
• 2.1 材料的表征27-29
• 2.1.1 材料的理化特性和材料的TEM27
• 2.1.2 材料的SEM和EDX27-28
• 2.1.3 材料的XRD28-29
• 2.1.4 红外光谱29
• 2.2 不同因素对吸附的影响29-30
• 2.2.1 pH影响29-30
• 2.2.2 盐离子的影响30
• 2.3 吸附容量30-32
• 2.4 吸附动力学32-33
• 2.5 层状纳米氧化锰和PPM的吸附量对比实验33-34
• 2.6 淋滤实验34-35
• 2.7 种子萌发实验35-36
• 3 本章小结36-38
• 第三章 氨基强化选择性吸镉保水剂的制备和其性能研究38-50
• 1 实验部分38-40
• 1.1 化学试剂和仪器38-39
• 1.2 PPM-NH_2的制备39
• 1.3 实验方法39-40
• 2 结果与讨论40-49
• 2.1 材料的表征40-41
• 2.1.1 材料的SEM和EDX40
• 2.1.2 材料的XRD40-41
• 2.1.3 材料的XPS41
• 2.2 材料的离子选择性41-43
• 2.3 不同条件对镉去除效果的影响43-45
• 2.3.1 有机质的影响43-44
• 2.3.2 竞争性阳离子的影响44-45
• 2.4 吸附容量45-46
• 2.5 吸附动力学46-48
• 2.6 萌芽实验48-49
• 3 本章小结49-50
• 第四章 结论与展望50-53
• 1 结论50-51
• 2 展望51-53
• 参考文献53-62
• 致谢62-63
• 作者简历63

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