壳聚糖水凝胶的制备及其对重金属的吸附研究

发布时间：2017-08-11 13:31

  本文关键词：壳聚糖水凝胶的制备及其对重金属的吸附研究

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【摘要】：重金属是一种难降解的污染物,具有毒性大、易形成二次污染且易在生物体内富集累积的特点,直接威胁到人类及各类生物的生存。近年来,水体重金属污染事件频发,给环境和人类社会造成了极大的影响,因此,如何有效地去除废水中的重金属已经成为了不可避免的环境和社会问题。从历年研究情况来看,废水中的重金属传统的处理方法主要有:化学沉淀法、电解法、离子交换法等。传统的处理方法具有低浓度处理效果较差,且易造成二次污染的缺点,因此寻找一种新的方法是各研究者重点关注的问题。吸附法是近年来研究的热点,具有适用范围广、低浓度时去除效率高、环境友好等优势。而在诸多吸附剂中,水凝胶作为一种具有多孔结构的三维网状高分子材料,能在水中溶胀同时保持住大量水分而交联体不溶解,分子中含有大量的活性基团,能通过螯合、离子交换和形成离子对等方式吸附金属离子,可以有效地去除废水中的重金属离子,具有较大的发展潜力和广阔的应用前景。本文利用壳聚糖和N,N′-亚甲基双丙烯酰胺等交联制备了一种壳聚糖水凝胶,采用SEM、TG、FT-IR和XPS等方法,表征了水凝胶表面形貌、热稳定性、基团及元素组成,通过研究壳聚糖水凝胶对Pb2+、Ni2+和Cr3+三种典型重金属离子吸附时间、初始浓度、温度、pH值影响因素等实验,考察了其对三种重金属的吸附效能的影响,并初步探讨了壳聚糖水凝胶对重金属的吸附机理,具体结论如下:1)利用壳聚糖作原料,过硫酸铵为引发剂,丙烯酸为接枝单体,N,N'-亚甲基双丙烯酰胺作交联剂,在60℃条件下恒温震荡3 h后,成功制备出了一种共聚物水凝胶。制备体系中过硫酸铵和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的投加量均会影响壳聚糖水凝胶对三种重金属离子的去除效果,当体系中过硫酸铵和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的比例为5:1时,所制备的壳聚糖水凝胶对三种重金属离子去除效果最好。SEM分析表明,壳聚糖水凝胶是一种具有一定比表面积的大孔材料。FT-IR分析和XPS分析证实壳聚糖水凝胶确为丙烯酸单体和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的共聚产物;2)通过批实验考察了壳聚糖水凝胶投加量、温度、pH、初始金属离子浓度对三种离子去除效果的影响。研究发现,在相同条件下,壳聚糖水凝胶在短时间内对Pb2+、Cr3+和Ni2+的去除率较低,随着时间的增加,去除率逐渐增大,在48h时达到平衡;增加水凝胶投入量、提高反应温度均可以提高三种重金属离子的去除效率;当溶液pH偏酸性时,有利于壳聚糖水凝胶对Pb2+、Ni2+、Cr3+的去除;初始浓度的变化对壳聚糖水凝胶吸附金属离子的影响较大,随着初始浓度的增加,壳聚糖水凝胶对Pb2+、Ni2+、Cr3+去除率逐渐降低,浓度越高,去除率越低。3)通过考察壳聚糖水凝胶对三种重金属离子的竞争吸附,结果发现当各个组分初始金属浓度均为1 mmol/L时,重金属离子的竞争优先性为:Pb2+Ni2+Cr3+。其中,Pb2+的竞争性要明显优于Ni2+和Cr3+,而Ni2+、Cr3+的竞争性相近。壳聚糖水凝胶对3种重金属离子的竞争吸附主要受到金属电负性的影响,电负性大的竞争性大。同时对比了单种吸附和竞争吸附,可以发现,壳聚糖水凝胶对不同组分中的某一重金属离子的去除率均有不同幅度的减小,说明Pb2+、Ni2+和Cr3+之间存在竞争作用,也说明了金属离子作用于吸附剂的同一类型的活性中心上。当重金属浓度较高时,水凝胶的吸附活性位点处于饱和状态,多种重金属离子将争夺吸附活性位点的数量,重金属离子与活性中心作用力的越强则去除率越大,即竞争性越强。4)考察了壳聚糖水凝胶去除Pb2+、Ni2+、Cr3+的吸附动力学和吸附等温线,经研究发现,壳聚糖水凝胶对三种重金属离子的准一级动力学模型的相关系数的平方均小于相应的准二级吸附动力学模型,且准二级吸附动力学模型的拟合曲线表现了良好的线性关系(R20.99),表明壳聚糖水凝胶对三种重金属的吸附反应很好的符合准二级反应动力学模型。同时对吸附等温线进行考察,可以发现,壳聚糖水凝胶对三种重金属离子的吸附较符合Languir等温式吸附,说明壳聚糖水凝胶对重金属离子的吸附属于单层吸附。
【关键词】：壳聚糖 水凝胶 重金属 吸附
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要4-6
• abstract6-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 重金属污染的治理方法12-15
• 1.2.1 离子交换法12-13
• 1.2.2 膜分离技术13
• 1.2.3 化学沉淀法13-14
• 1.2.4 吸附法14-15
• 1.3 水凝胶的研究进展15-20
• 1.3.1 水凝胶的制备方法15-17
• 1.3.2 水凝胶吸附重金属的研究进展17-20
• 1.4 研究目的与内容20-22
• 1.4.1 研究目的和意义20-21
• 1.4.2 研究内容21
• 1.4.3 技术路线21-22
• 1.5 本章小结22-23
• 第2章 壳聚糖水凝胶制备及性能研究23-34
• 2.1 实验材料和仪器23-24
• 2.1.1 药品试剂23-24
• 2.1.2 实验仪器24
• 2.2 壳聚糖水凝胶制备方法24-26
• 2.2.1 制备原理24-25
• 2.2.2 制备方法25-26
• 2.3 壳聚糖水凝胶测试分析26-27
• 2.3.1 壳聚糖水凝胶的失水率26
• 2.3.2 壳聚糖水凝胶表面形貌26-27
• 2.3.3 壳聚糖水凝胶基团分析27
• 2.3.4 壳聚糖水凝胶热稳定性27
• 2.3.5 壳聚糖水凝胶的元素分析27
• 2.4 测试结果与讨论27-32
• 2.4.1 壳聚糖水凝胶失水率分析27-29
• 2.4.2 壳聚糖水凝胶SEM分析29
• 2.4.3 壳聚糖水凝胶FT-IR分析29-30
• 2.4.4 壳聚糖水凝胶TG分析30-31
• 2.4.5 壳聚糖水凝胶XPS分析31-32
• 2.5 本章小结32-34
• 第3章 壳聚糖水凝胶对重金离子吸附性能研究34-50
• 3.1 实验材料和仪器34-35
• 3.1.1 实验药品与试剂34
• 3.1.2 仪器34-35
• 3.2 实验内容35-37
• 3.2.1 实验方法35-37
• 3.2.2 数据处理37
• 3.3 壳聚糖水凝胶对单种重金属离子的吸附行为的研究37-43
• 3.3.1 吸附剂加入量对水凝胶吸附效果的影响37-38
• 3.3.2 吸附时间对水凝胶吸附效果的影响38-39
• 3.3.3 pH对水凝胶吸附效果的影响39-40
• 3.3.4 温度对水凝胶吸附效果的影响40-42
• 3.3.5 重金属离子浓度对水凝胶吸附效果的影响42-43
• 3.4 壳聚糖水凝胶对重金属离子的竞争吸附研究43-45
• 3.5 壳聚糖水凝胶吸附重金属的正交实验分析45-48
• 3.6 本章小结48-50
• 第4章 壳聚糖水凝胶对重金属的吸附机理初探50-59
• 4.1 实验材料与仪器50
• 4.1.1 实验药品与试剂50
• 4.1.2 实验仪器50
• 4.2 实验内容50-56
• 4.2.1 吸附等温线50-53
• 4.2.2 吸附动力学53-56
• 4.3 壳聚糖水凝胶吸附重金属前后的EDS分析56
• 4.3.1 实验内容56
• 4.3.2 EDS结果与讨论56
• 4.4 壳聚糖水凝胶对重金属的吸附机理探讨56-57
• 4.5 本章小结57-59
• 结论59-61
• 1 结论59-60
• 2 建议60-61
• 致谢61-62
• 参考文献62-69
• 攻读学位期间取得学术成果69

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