壳聚糖基磁性复合材料的制备及其对染料和重金属吸附性能的研究

摘要

环境污染已经成为国内外普遍关注的问题，尤其是含有有机染料和重金属离子的大量工业废水的排放已经对人类健康和生态环境造成了极大的威胁，因此，研究废水处理方法和技术已成为时下关注的焦点。在众多的废水处理方法中，吸附法具有操作简单，处理效率高，无二次污染等突出优点，在废水处理中起着重要的作用。尽管活性炭是目前最常用的吸附剂，但由于商业活性炭的生产成本相对昂贵，阻碍了其在污水处理中的应用。因此，寻找廉价、高效的吸附剂是目前的研究热点。磁性吸附剂可以通过外加磁场被快速分离，代替了离心、过滤等过程，能有效降低人工成本，提高工作效率。本论文选择储量丰富、价格低廉、易生物降解的壳聚糖为基本原料，通过接枝改性或与其他材料复合，制备了几种环境友好、经济高效的吸附剂，并研究了它们在废水处理中的应用。
　　本研究分为四个部分：第一章综述了染料和重金属离子污染的来源及危害，总结了废水处理方法，同时，对天然高分子材料壳聚糖在吸附剂制备方面的应用做了简要概述。第二章以化学沉淀法制备的Fe3O4纳米颗粒为核，正硅酸酸乙酯(TEOS)作硅源，制得核壳型Fe3O4@SiO2磁性纳米粒子，然后以戊二醛为交联剂，使其与壳聚糖交联得到磁性壳聚糖(MCS)，再以缩水甘油基三甲基氯化铵(GTA)表面改性磁性壳聚糖(MCS)制备了季铵盐改性磁性壳聚糖的新型吸附剂(QMCS)，使用SEM，FTIR，XRD和TG等技术手段对其进行了表征。研究了MCS和QMCS对甲基橙染料(MO)的吸附性能，考察了pH值，染料初始浓度，吸附时间和吸附剂用量对吸附性能的影响。结果表明：与MCS相比，QMCS可以在较宽的pH值范围内使用，吸附容量高，吸附速率快。准二级动力学模型可以描述吸附过程， Langmuir等温模型能够很好地拟合等温吸附数据。QMCS对MO的最大吸附容量为338.4 mg·g-1，远高于MCS的(225.6 mg·g-1)，此外，QMCS能够通过磁分离实现快速的固液分离。说明QMCS是一种高效的易于分离的吸附剂。第三章首先采用Hummers方法制得氧化石墨烯(GO)，然后采用化学共沉淀法将Fe3O4纳米粒子覆盖在GO上，制备了磁性氧化石墨烯(MGO)，再使用戊二醛作为交联剂，得到磁性氧化石墨烯-壳聚糖复合吸附材料(MGO-CS)。对其结构和性能进行了表征,研究了上述两种磁性吸附材料对水溶液中铅离子的吸附性能,考察了实验条件对吸附性能的影响。实验结果表明：两种材料对Pb2+的吸附过程均符合准二级吸附速率方程和Langmuir等温吸附模型，MGO-CS的吸附性能优于MGO，对Pb2+的最大吸附容量为81.8 mg·g-1，最高去除率为98.0％，且吸附剂在外加磁场的作用下能够从水溶液中快速分离，因此，在Pb2+废水处理中具有良好的应用前景。第四章首先采用化学共沉淀法将Fe3O4纳米粒子覆盖在凹凸棒(ATP)上，制得了磁性凹凸棒(MATP)，再与壳聚糖进行复合，得到磁性凹凸棒-壳聚糖复合吸附材料(MATP-CS)，用SEM，FTIR，XRD和TGA对复合吸附材料进行了表征。研究了磁性吸附材料对酸性品红的吸附性能。结果表明：MATP-CS对酸性品红染料有较高的吸附量，吸附行为符合Langmuir等温吸附模型和准二级动力学模型， MATP-CS对酸性品红的最大吸附容量为433.9 mg·g-1，最高去除率达到97.3%，远高于MATP。此外，MATP-CS能够通过磁分离实现快速的固液分离。说明MGO-CS是一种高效去除阴离子染料且易于分离的吸附剂。

目录

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西北师范大学研究生学位论文作者信息

第一章 绪 论

1.1 前言

1.2 染料废水和重金属离子废水

1.3 壳聚糖在废水处理中的应用

1.4 磁性吸附剂在废水处理中的应用

1.5 本论文的研究意义及主要内容

参考文献

第二章 季铵化磁性壳聚糖的制备及其对甲基橙吸附性能的研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 小结

参考文献

第三章 磁性氧化石墨烯-壳聚糖的制备及其对铅离子吸附性能的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 小结

参考文献

第四章 磁性凹凸棒-壳聚糖的制备及其对酸性品红吸附性能的研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 小结

参考文献

攻读硕士学位期间科研成果

致谢