功能化天然植物纤维对水环境中污染物的去除研究

摘要

牛角瓜纤维（CGF）与木棉纤维（KF）属于天然植物纤维。横截面呈圆形或椭圆形，纵向光滑无扭曲，呈现薄壁大中空的形态结构，表面蜡质含量高于其它天然植物纤维。除了较大的空心管状结构和天然的含蜡涂层，这两种纤维还拥有优异的生物降解性和生物相容性。因此，探究CGF与KF对水环境中污染物的去除研究，将有益于天然植物纤维的高值化利用，进而在水污染治理方面发挥潜在的应用优势。基于此，本论文主要进行了以下几个具有创新性方面的研究工作： 1. CGF具有较大的空腔，且表面含有天然蜡层，因此纤维自身具备良好的疏水-亲油性质，可以作为一种潜在的吸油材料，用于从水环境中分离或回收不同的油类。为了进一步提高其吸油性能，本研究提出了一种简便的方法，通过将镍或铜纳米颗粒沉积在CGF骨架上，获得金属纳米颗粒功能化的纤维，也就是Ni-CGF和Cu-CGF，进而研究了功能化纤维对不同油类的吸收性质。结果表明：改性纤维具有优异的吸油能力和良好的疏水性，几秒内吸油量就可达到120 g/g。此外，Ni-CGF和Cu-CGF在与油水混合物接触时，可以迅速吸收油类却完全不吸水，表明它们具有良好的油水选择性。经过10次循环测试，功能化纤维的吸油量并没有明显降低，说明其具有良好的循环使用性能。因此，Ni-CGF和Cu-CGF将有极大的潜力作为吸油材料用于含油废水中油类的回收和分离。 2. 以CGF作为生物模板，利用传统的化学氧化方法用间苯二胺（mPD）在甲醇/水（50:50，v/v）混合溶液中制备聚间苯二胺功能化牛角瓜纤维（CGF-O-PmPD）。PmPD层的存在不仅赋予纤维大量的含氮官能团，同时能够粗糙化纤维表面，使其对环丙沙星（Cip）展现较强的吸附作用。本部分实验系统研究了接触时间、初始Cip浓度、初始Cip pH、离子强度等因素对CGF-O-PmPD吸附Cip的影响。实验数据表明：随着mPD单体用量从0.2、0.5增加到2.0 g，CGF-O-PmPD 对Cip的吸附能力呈现单调下降的趋势，吸附动力学却表现为单调递增，即在10秒内，吸附率分别超过50%、60%和70%，表明其对Cip具有超快的吸附动力学。此外，吸附剂的吸附量随pH的升高而增加：当pH为2.0时，吸附量仅为0.73-6.7 mg/g；当pH为10.0时，吸附量升高到64.9-77.3 mg/g。5次吸附-解吸循环后，CGF-O-PmPD对Cip的吸附能力没有明显下降，说明其在处理含抗生素类废水方面具备良好的可重复利用性和潜在的应用价值。 3. 以CGF作为生物模板，PmPD作为改性材料，设计开发了一种具有优良中空管状结构的吸附剂（CGF-O-PmPD），并系统研究了功能化纤维对水溶液中Cr(VI)的吸附效果。首先，采用响应曲面法对0.5-2.0 g的单体mPD进行优化。结果表明，PmPD的改性可以使纤维表面从原来的光滑状变为粗糙状，同时赋予纤维大量的含氮官能团。随后，系统研究了接触时间（0-5 h）、初始Cr(VI)浓度（25-200 mg/L）、初始Cr(VI) pH（3.0-10.0）、离子强度（去离子水、自来水、1.0 mmol/L 和5.0 mmol/L NaCl）、共存二价金属离子（Cu(II)、Zn(II)、Ni(II)）等对CGF-O-PmPD吸附Cr(VI)的影响。实验数据表明，当Cr(VI)的初始浓度为200 mg/L时，10 min内可以完成90%以上的吸附，同时吸附量可以达到79.90 mg/g，表明其吸附动力学快，吸附能力强。在pH值=3.0时，CGF-O-PmPD对Cr(VI)具有良好的选择性吸附效果。同时，X射线光电子能谱分析（XPS）结果证明，在吸附过程中一部分的Cr(VI)还原为Cr(III)。上述信息证实，CGF-O-PmPD作为一种成本低、效率高的吸附剂可用于选择性地从受污染的水体中去除Cr(VI)。 4. 以KF作为生物模板，经氧化聚合将多巴胺（DA）沿着纤维表面生长，获得聚多巴胺功能化纤维（KF-HTO-PDA）。随后，利用聚多巴胺的还原作用，将Ag纳米颗粒原位固定在KF-HTO-PDA表面，得到Ag@KF-HTO-PDA。结合扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、耦合能量色散谱（EDS）、X射线衍射（XRD）和傅立叶变换红外光谱（FT-IR）技术，对原始KF、KF-HTO-PDA、Ag@KF-HTO-PDA进行了详细表征。在此基础上，系统研究了Ag@KF-HTO-PDA对4-硝基苯酚（4-NP）的催化还原能力。结果显示，在4-NP还原为氨基衍生物的过程中，Ag@KF-HTO-PDA显示出稳定的催化能力。此外，该方法还可以用于制备Ag@CGF-HTO-PDA，实验数据表明其对4-NP的还原同样具备优异的催化效率。

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功能化天然植物纤维对水环境中污染物的去除研究

Removal of Pollutants from Water Environment by

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目 录

第一章 绪论

1.1 选题背景

1.2 水中典型污染物去除研究

1.2.1 油类污染物

1.2.2 抗生素类污染物

1.2.3 重金属类污染物

1.2.4 芳香族硝基化合物类污染物

1.3 天然植物纤维概述

1.3.1 CGF概述

1.3.2 KF概述

1.4 研究内容、目的和意义

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究目的和意义

1.5 技术路线图

1.5.1 油类污染物去除

1.5.2 Cip和Cr(VI)污染物去除

1.5.3 4-NP污染物去除

1.6研究项目的特色及创新点

第二章 Ni/Cu纳米颗粒功能化牛角瓜纤维对油类污染物的去除

2.1 引言

2.2 实验准备工作

2.2.1 实验材料

2.3 实验部分

2.3.1 功能化纤维的制备

2.3.2 功能化纤维的吸油性质

2.3.3 表征

2.4 实验结果和讨论

2.4.1 油吸收机理

2.4.2 材料表征

2.4.3 润湿性

2.4.4 吸油性能

2.4.5 对比研究

2.5 结论

第三章 聚间苯二胺功能化牛角瓜纤维对环丙沙星的去除

3.1 引言

3.2 实验准备工作

3.2.1 实验材料

3.3 实验部分

3.3.1 功能化纤维的制备

3.3.2 功能化纤维的吸附实验

3.3.3 表征

3.4 实验结果和讨论

3.4.1 CGF-O-PmPD的形成

3.4.2 CGF和CGF-O-PmPD的表征

3.4.3 吸附性能

3.5 结论

第四章 聚间苯二胺功能化牛角瓜纤维对Cr(VI)的去除

4.1 引言

4.2 实验准备工作

4.2.1 实验材料

4.3 实验部分

4.3.1 功能化纤维的制备

4.3.2 中心复合设计

4.3.3 功能化纤维的吸附实验

4.3.4 表征

4.4 实验结果和讨论

4.4.1 响应曲面

4.4.2 材料表征

4.4.3 吸附性能

4.5 结论

第五章 聚多巴胺功能化天然纤维对4-NP的催化还原

5.1 引言

5.2 实验准备工作

5.2.1 实验材料

5.3 实验部分

5.3.2 4-NP的催化还原

5.3.3 循环性质

5.3.4 表征

5.4 实验结果和讨论

5.4.1 Ag @ HTO-PDA的形成

5.4.2 材料表征

5.4.3 4-NP的催化还原

5.4.4 在CGF方面的应用

5.5 结论

第六章 结论与展望

参考文献

在学期间的研究成果

致 谢