EVOH纳米纤维膜功能化及吸附铬离子和染料的研究

发布时间：2017-12-18 03:13

  本文关键词：EVOH纳米纤维膜功能化及吸附铬离子和染料的研究

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【摘要】：随着经济和社会的发展,环境保护压力日益突出。重金属离子及染料污染是导致水体污染的重要因素,铬(Cr)离子含量是水体重金属污染防治的监测指标之一,而水体污染防治直接关联气体和土壤的质量,是环境保护中极其关键的环节。吸附技术作为去除重金属离子及染料的有效方法在水体处理领域发挥着其他技术无法取代的重要作用。具有高比表面积的纳米纤维膜作为吸附剂可避免二次分离的弊端,经吸附-脱附能实现再生使用。乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)纳米纤维膜含有可与重金属离子、染料发生络合作用的羟基,但对Cr离子、染料吸附能力尚嫌不够。因此本文设想利用氨基、亚氨基等活性基团对EVOH纳米纤维膜表面修饰,使其具备优异的Cr离子及染料吸附性能。引入L-赖氨酸(L-Lys)、二乙基三胺(DETA)等对EVOH纳米纤维氨基化,以及经原位化学氧化法在其表面自组装聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI),使之功能化。系统研究功能化EVOH纳米纤维膜对总Cr离子和甲基橙等染料的静态吸附性能,主要包括影响因素、吸附行为及循环使用等。通过熔融共混挤出法和高速气流沉积法制备厚度可控的EVOH纳米纤维膜,直接或经三聚氯氰(Cy)、环氧氯丙烷(EPI)活化接枝L-Lys和DETA,制备L-Lys/EVOH、Cy/L-Lys/EVOH和DETA/EVOH等氨基化EVOH纳米纤维膜。Cy/L-Lys/EVOH和DETA/EVOH纳米纤维膜表面有部分粘黏,且因氢键作用增强,氨基化EVOH纳米纤维膜的比表面积和水接触角减小。氨基化EVOH纳米纤维膜对Cr离子的吸附实验表明:溶液初始p H值对吸附影响最大,当p H值为2.0时去除率最高,而离子强度对吸附的影响次之;低吸附剂用量时具有很高的吸附量,0.0125 g/30 m L的Cy/L-Lys/EVOH、L-Lys/EVOH和DETA/EVOH纳米纤维膜对200 mg/L的Cr(VI)离子溶液中总Cr离子的吸附量分别为234.69、202.18和192.96 mg/g;再生使用性能突出,经吸附-脱附循环使用6次后,DETA/EVOH纳米纤维膜对总Cr离子的去除率依然可达到初次吸附的98%以上;但吸附速率不突出,对50 mg/L的Cr(VI)离子溶液吸附平衡时间约为500 min,总Cr离子去除率分别为75.91%、69.33%和64.5%,但对Cr(VI)离子的去除率分别为97.64%、96.68%和92.04%。氨基化EVOH纳米纤维膜对总Cr离子的吸附过程适用拟二级动力学模型和Freundlich等温吸附模型,是自发、吸热的过程。氨基化EVOH纳米纤维膜对染料的吸附实验发现:Cy/L-Lys/EVOH纳米纤维膜对刚果红、酸性红88和甲基橙染料吸附效果最好,L-Lys/EVOH和DETA/EVOH纳米纤维膜对刚果红染料吸附性能也较突出。相比于文献中报道的吸附剂材料,低量氨基化EVOH纳米纤维膜具有很高的总Cr离子吸附量,再生使用性能突出。由于氨基化EVOH纳米纤维膜对总Cr离子吸附速率慢、去除率低,需要通过提高材料的比表面积、增加材料表面有效吸附官能团密度等方式来改善。因PPy的共轭结构和氨基基团可有效络合Cr离子和染料离子,故以Fe Cl3·6H2O为氧化剂、EVOH纳米纤维膜为载体,经原位化学氧化聚合法制备PPy/EVOH复合纳米纤维膜。PPy以小颗粒形态均匀分布在EVOH纳米纤维膜表面及部分孔隙中,使膜比表面积增大、孔隙率略减小。PPy/EVOH复合纳米纤维膜对Cr离子的吸附实验表明:溶液初始p H值对吸附影响最大,p H值为2.0时去除率最高;吸附速率快且去除率高,0.1 g/30 m L吸附50 mg/L的Cr(VI)离子溶液的平衡时间仅需30 min,且对总Cr离子去除率为86.6%,但对Cr(VI)离子的去除率达99.2%;共存离子存在时,对Cr离子表现出明显的选择吸附性。PPy/EVOH复合纳米纤维膜对甲基橙、刚果红、酸性红88和亚甲基蓝等染料的吸附实验表明:对阴离子染料具有吸附通用性,其中,当p H为3.12-6.98范围时,对甲基橙的吸附速率快,且去除率接近100%,对150 mg/L的甲基橙溶液吸附平衡量为78.09 mg/g;溶液中离子强度对甲基橙的吸附影响不明显;再生使用性能不突出,吸附-脱附循环使用6次后,对总Cr离子和甲基橙的去除率分别为初次吸附的79.48%和78%。PPy/EVOH复合纳米纤维膜对总Cr离子和甲基橙的吸附过程均适用拟二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型,是自发、吸热的过程。PPy/EVOH复合纳米纤维膜在吸附-脱附循环使用过程部分PPy会发生团聚,使再生使用性受限。PANI以氢键作用完全均匀包覆纳米纤维,避免团聚,可进一步提高功能化EVOH纳米纤维膜的再生使用性能。以过硫酸铵为氧化剂、HCl为掺杂剂,选择合适的掺杂剂浓度及单体含量,经原位化学氧化聚合法,在EVOH纳米纤维表面自组装PANI,再经高速气流沉积法制备PANI/EVOH复合纳米纤维膜。PANI均匀包覆在EVOH纳米纤维表面,复合膜亲水性提高;由于纤维直径增大,膜孔径及孔径分布变宽,而比表面积略减小。PANI/EVOH复合纳米纤维膜对Cr离子的吸附实验研究表明:溶液初始p H值对吸附影响最大,在p H值为2.0时,去除率达最大值,对200 mg/L的Cr(VI)溶液中总Cr离子平衡吸附量可达93.09 mg/L;Cu(II)、Hg(II)、Pb(II)和Cd(II)离子作为共存离子,对Cr离子具有明显的选择吸附性;再生使用性能优异,经吸附-脱附循环使用6次和25次后,对总Cr离子去除率仍然保持92%和76.7%;对50 mg/L的Cr(VI)溶液中总Cr离子和Cr(VI)离子的去除率分别为81.63%和99.5%。PANI/EVOH复合纳米纤维膜对甲基橙、刚果红、酸性红88和亚甲基蓝等染料的吸附实验表明:对阴离子染料具有较好的吸附效果,其中,当p H值为2.08-6.98范围时,对甲基橙的吸附速率快且去除率接近100%;对150 mg/L的甲基橙溶液吸附平衡量为86.94 mg/g;再生使用性能优异,经过8次吸附-脱附循环使用,对甲基橙的去除率仍接近100%。PANI/EVOH复合纳米纤维膜对总Cr离子和甲基橙的吸附过程适用拟二级动力学模型及Freundlich等温吸附,是自发、吸热的过程。相比于文献中报道的吸附剂材料,PANI/EVOH复合纳米纤维膜对Cr离子和甲基橙具有突出的吸附速率、吸附量及去除率,再生使用性能优异。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ342.86

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本文编号：1302579