高分子螯合-絮凝剂二硫代羧基化胺甲基聚丙烯酰胺的制备及性能研究

摘要

重金属废水的大量排放对环境和人体健康造成了严重的危害，因此，重金属废水的治理已迫在眉睫。近年来出现的螯合沉淀法处理重金属废水可以取得良好效果，而制备高效实用的重金属废水处理剂是该方法中研究热点之一。本论文以现有的絮凝剂（聚丙烯酰胺）为母体，通过化学合成方法，首先将聚丙烯酰胺胺甲基化，然后将含硫原子配位基团（二硫代羧基）引入到其高分子链上，制备出对重金属离子具有螯合沉淀和絮凝沉淀双重作用的新型高分子螯合-絮凝剂二硫代羧基化胺甲基聚丙烯酰胺(DTAPAM)。
　　本文以聚丙烯酰胺(PAM)、甲醛(HCHO)、二甲胺(HN(CH3)2)、氢氧化钠(NaOH)、二硫化碳(CS2)为原料，通过单因素实验确定出DTAPAM制备条件中的六个影响因素，并分别以正交实验法和响应面分析法对DTAPAM的制备条件进行优化。在响应面分析法优化DTAPAM制备条件时，首先采用Plackett-Burman实验筛选出DTAPAM制备条件中的主要影响因素，然后通过爬坡实验将实验区域接近响应曲面的最优区域或位于最优区域中，并选取各影响因素水平值的中心点，最后以响应面分析法中常用的中心复合设计(CCD)对DTAPAM的制备件进行优化，确定出其最佳制备条件。利用元素分析和红外分析等方法对DTAPAM进行了结构表征;并对DTAPAM性质进行了考察，如溶解性、存放稳定性、Zeta电位等。分别以含Ni(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)水样为考察对象，研究了Ni(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)的初始浓度、水样pH值、有机配位剂EDTA、共存浊度等对DTAPAM去除Ni(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)性能的影响;最后探究了水样pH值、有机配位剂EDTA、共存浊度等对螯合絮体DTAPAM-Ni(Ⅱ)、DTAPAM-Cd(Ⅱ)分形维数的影响，并对螯合絮体DTAPAM-Ni(Ⅱ)及DTAPAM-Cd(Ⅱ)的稳定性以及絮体中Ni(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)的回收性能进行初步考察。主要研究
　　结果如下:
　　(1)单因素实验表明DTAPAM制备条件的影响因素为:反应物投加顺序、APAM分子量、APAM浓度，APAM、CS2、NaOH的摩尔比，预反应温度，预反应时间，主反应温度，主反应时间。
　　(2)选取APAM浓度，APAM、CS2、 NaOH的摩尔比，预反应温度，预反应时间，主反应温度，主反应时间进行正交实验，结果表明分别以水样中Cu(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)的去除率为考察对象所对应的优化组合条件不尽相同。
　　(3)通过Plackett-Burman实验、最陡爬坡实验和CCD实验得出DTAPAM最优制备条件为:APAM浓度2.7％，APAM、CS2、NaOH的摩尔比1∶2∶1.4，预反应温度23℃，预反应时间15 min，主反应温度40℃，主反应时间90min。
　　(4) DTAPAM可溶于甲醇、无水乙醇、蒸馏水中，不溶于丙酮中。红外分析和元素分析均表明，DTAPAM分子链中成功接入了二硫代羧基。DTAPAM在蒸馏水和自来水中的等电点pHiep分别为7.1和7.2。DTAPAM可在常温避光条件下稳定保存30天，30天后其稳定性有所下降。
　　(5) DTAPAM捕集单一重金属离子废水表明，在水样pH值为6.0时，其除Cd(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)效果均达到最佳，去除率分别为98.87％、91.16％。DTAPAM对Cd(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)的去除率随着体系中Cd(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)初始浓度的增加而升高。DTAPAM对水样中Cd(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)的去除均存在最佳投药量，投加过量的DTAPAM，Cd(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)的去除率有所下降。有机配位剂EDTA的存在对DTAPAM去除Cd(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)性能产生明显的抑制作用，而且随着EDTA浓度的增大，抑制作用越显著。水样中存在致浊物时，低浊度可促进DTAPAM对Cd(Ⅱ)的去除，而浊度过高则会抑制其去除;在Ni(Ⅱ)和致浊物共存的体系中，致浊物的存在对DTAPAM去除Ni(Ⅱ)具有明显的抑制作用。
　　(6)螯合絮体DTAPAM-Ni(Ⅱ)、DTAPAM-Cd(Ⅱ)的分形维数与DTAPAM对重金属离子的去除性能具有一定的关系，表现为螯合絮体分形维数越大，重金属离子的去除率越高。
　　(7)螯合絮体DTAPAM-Ni(Ⅱ)、DTAPAM-Cd(Ⅱ)在碱性环境中浸出率较低，不易造成二次污染。螯合絮体DTAPAM-Ni(Ⅱ)在硝酸溶液中具有较高的回收率;而螯合絮体DTAPAM-Cd(Ⅱ)在盐酸溶液和硝酸溶液中均具有较高的回收率。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 重金属废水常见处理方法

1．1．1 化学沉淀法

1．1．2 吸附法

1．1．3 电化学法

1．1．4 离子交换法

1．1．5 膜分离法

1．1．6 螯合沉淀法

1．1．7 其他新型处理法

1．2 聚丙烯酰胺的改性及在废水处理中的应用

1．2．1 聚丙烯酰胺阴离子化

1．2．2 聚丙烯酰胺阳离子化

1．2．3 丙烯酰胺与天然高分子共聚

1．3 论文研究的意义

1．4 论文研究的内容及技术路线图

1．4．1 论文研究的内容

1．4．2 技术路线图

1．5 论文创新点

2 单因素实验法制备DTAPAM

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 仪器与试剂

2．2．2 实验方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 反应物投加顺序的影响

2．3．2 APAM分子量的影响

2．3．3 APAM浓度的影响

2．3．4 反应物比例的影响

2．3．5 预反应温度的影响

2．3．6 预反应时间的影响

2．3．7 主反应温度的影响

2．3．8 主反应时间的影响

2．4 本章小结

3 正交实验法优化制备DTAPAM

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 仪器与试剂

3．2．2 实验方法

3．3 结果与讨论

3．3．2 最佳投药量下DTAPAM除Cd(Ⅱ)合成条件的确定

3．3．3 DTAPAM除Cu(Ⅱ)最佳投药量的确定

3．3．4 最佳投药量下DTAPAM除Cu(Ⅱ)合成条件的确定

3．3．5 正交优化DTAPAM制备条件的确定

3．4 本章小结

4 响应面法优化制备DTAPAM

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 仪器与试剂

4．2．2 实验方法

4．2．3 实验设计

4．3 结果与讨论

4．3．1 Plackett-Burman实验筛选主要因素

4．3．2 最陡爬坡实验确定水平中心点

4．3．3 响应面法优化制备条件

4．3．4 验证实验

4．3．5 对比实验

4．4 本章小结

5 DTAPAM溶液性质及表征

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 仪器与试剂

5．2．2 实验方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 DTAPAM溶解性测定

5．3．2 DTAPAM等电点的测定

5．3．3 DTAPAM溶液的存放稳定性

5．3．4 DTAPAM结构表征

5．4 本章小结

6 DTAPAM捕集单一重金属离子性能的研究

6．1 前言

6．2 实验部分

6．2．1 仪器与试剂

6．2．2 实验方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 DTAPAN除Cd(Ⅱ)性能

6．3．2 DTAPAM除Ni(Ⅱ)性能

6．4 本章小结

7 DTAPAM捕集实际重金属废水性能研究

7．1 污酸综合废水性能研究

7．1．1 反应体系最佳pH值的确定

7．1．2 水样pH值对DTAPAM除浊性能的影响

7．1．3 DTAPAM投加量对出水pH值的影响

7．2 酸性综合废水性能研究

7．3 两种实际重金属废水出水水质

7．4 本章小结

8 螯合絮体DTAPAM-Cd(Ⅱ)和DTAPAM-Ni(Ⅱ)的性质

8．1 前言

8．2 实验部分

8．2．1 仪器与试剂

8．2．1 实验方法

8．3 结果与讨论

8．3．1 螫合絮体分形维数

8．3．2 螯合絮体的稳定性

8．3．3 螯合絮体的回收性

8．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果