有机修饰磁性碱性钙基膨润土对Cu(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)和强力霉素的吸附性能研究

摘要

作为典型的难生物降解物质，废水中的重金属和抗生素对生态环境安全和人体健康均造成了严重的威胁，如何采用经济有效的方法去除污染废水中的重金属和抗生素是目前研究的热点问题。本论文以壳聚糖和羧甲基纤维素钠的交联共聚膜(Chitosan/sodium carboxymethyl cellulose copolymer film，CC)为修饰剂，对磁性碱性钙基膨润土(Magnetic alkaline Ca-bentonite，MACB)进行修饰，制备得CC修饰的磁性碱性钙基膨润土MACB/CC(CC-modified magnetic alkaline Ca-bentonite,MACB/CC)。以MACB/CC为吸附剂，探索了MACB/CC对重金属Cu(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)，以及对抗生素强力霉素(Doxycycline，DC)的吸附性能，考察了影响吸附的主要因素，并研究了Cu(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)和DC在MACB/CC上的吸附等温模型和吸附动力学模型，结合FE-SEM和FT-IR等表征手段和吸附模型的拟合结果,提出MACB/CC吸附Cu(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)和DC的主要机理。主要结论如下:
　　(1)MACB/CC对Cu(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)的吸附影响因素结果表明，Cu(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)在MACB/CC上的吸附是一个先快速而后缓慢的过程，吸附时间为60min时，MACB/CC对Cu(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)的吸附率已分别达到97％和85％;溶液的初始pH对MACB/CC吸附的影响明显，随着pH值的升高，MACB/CC对Cu(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)的吸附率逐渐上升，在pH为7.0时对Cu(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)的吸附率分别达到99％和92％;当Cu(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)共存时，MACB/CC对Cu(Ⅱ)的吸附能力大于Mn(Ⅱ);经5次循环利用后，MACB/CC对Cu(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)的吸附率分别保持在93％和90％以上;MACB/CC对Cu(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)的吸附符合Langmuir模型，Langmuir最大吸附容量分别为94mg·g-1和38mg·g-1，吸附过程可由准二级动力学模型描述，说明控制吸附速率的主要是化学吸附。
　　(2)MACB/CC对DC的影响因素结果表明，随着MACB/CC投加量的增加，MACB/CC对DC的吸附率不断增大;pH在2.0～7.0范围时，MACB/CC对DC的吸附率随着pH的升高而不断增大，pH在7.0～11.0范围内，吸附率保持在95％以上;低浓度的Cu(Ⅱ)和腐殖酸的存在均会提高MACB/CC对DC的吸附，Mn(Ⅱ)的存在则会抑制吸附;重复利用5次后，MACB/CC对DC的吸附容量保持在290mg·g-1以上;Langmuir模型和准二级动力学模型均能较好地描述MACB/CC对DC的吸附，说明吸附属于单分子层吸附和化学吸附，Langmuir最大吸附容量为599mg·g-1。
　　(3)MACB/CC吸附Cu(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)的主要机制包括阳离子交换、表面沉淀和络合作用:低pH时主要依靠MACB/CC的阳离子交换性能吸附，pH增大后碱性钙基膨润土表面的OH-能与Cu(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)发生沉淀反应，同时MACB/CC上去质子化的有机官能团会与重金属发生络合作用。MACB/CC吸附DC的主要机理与DC在溶液中的存在形态有关:酸性条件下，依靠膨润土的阳离子交换性能和静电作用吸附DC的阳离子形态或两性形态;中性及碱性环境下，主要通过MACB/CC表面的Ca2+桥接MACB/CC表面与DC的阴离子形态吸附DC。
　　总之，本论文的研究表明，MACB/CC在吸附阳离子型重金属及抗生素DC方面具有优良的吸附性能和重复利用性能，是一种非常有应用前景的重金属和抗生素废水吸附剂材料。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1．2 重金属废水的处理手段

1．2 抗生素废水污染概述

1．2．1 废水中抗生素的污染现状及危害

1．2．2 抗生素与重金属的复合污染

1．2．3 抗生素废水的处理手段

1．3 膨润土复合材料处理重金属和抗生素废水的研究进展

1．3．1 膨润土概述

1．3．2 改性膨润土及其对重金属和抗生素吸附的研究进展

1．4 本论文的研究意义、内容及创新点

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

1．4．3 创新点

第二章 有机修饰磁性碱性钙基膨润土对Cu(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)的吸附性能研究

2．1．1 实验主要药品和仪器

2．2 有机修饰磁性碱性钙基膨润土的制备及表征

2．3 TGA表征结果

2．4 吸附实验

2．4．1 对Cu(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)吸附影响因素的考察

2．4．2 吸附等温模型和吸附动力学研究

2．4．3 解吸及循环使用研究

2．5 结果与讨论

2．5．1 吸附影响因素实验结果

2．5．2 吸附等温模型和吸附动力学模型

2．5．3 循环利用结果

2．5．4 MACB／CC吸附Cu(Ⅱ)和 Mn(Ⅱ)的机理分析

2．6 本章小结

第三章 有机修饰磁性碱性钙基膨润土对强力霉素的吸附性能研究

3．1 吸附实验

3．1．1 对DC吸附影响因素的考察

3．1．2 吸附等温模型和吸附动力学模型

3．1．3 再生与循环利用实验

3．2 结果与讨论

3．2．1 吸附影响因素实验结果

3．2．2 吸附等温模型和吸附动力学模型

3．2．3 再生与循环利用结果

3．2．4 MACB／CC吸附DC的机理分析

3．3 本章小结

第四章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文