基于水处理应用的两性离子醋酸纤维素材料的制备与性能研究

摘要

本文以醋酸纤维素(CA)为原材料，通过精确的化学分子设计成功制备两性离子醋酸纤维素(ZCA)新材料，利用相转化法制备超滤膜用于处理水中蛋白质等大分子污染物，溶胶-凝胶法制备球状吸附材料用于处理水中重金属离子等小分子污染物。两性离子的引入改善了超滤膜的抗污染性能，同时提高了球状吸附材料的吸附能力。具体实验结果如下:
　　(1)首先，通过精确的分子设计，借助氧化、席夫碱和季胺化三种化学反应来构建两性离子醋酸纤维素体系。通过红外谱图(FTIR)和X射线光电子能谱图(XPS)分析了改性前后醋酸纤维素的结构变化，结果表明两性离子成功键接在醋酸纤维素上。通过热失重(TGA)分析结果表明两性离子的引入在一定程度上降低了醋酸纤维素的热稳定性，且粘度测试表明改性后粘度虽有所下降，但仍具有较高的分子量。制备的两性离子醋酸纤维素既保留了原有无毒和可生物降解的优异性能，又有望引入两性离子较强的亲水性、抗污染性等优点，从而提高醋酸纤维素的附加值。
　　(2)其次，利用制备的两性离子醋酸纤维素(ZCA)作为膜材料，通过浸入沉淀相转化法制备超滤膜。通过扫描电镜(SEM)可以看到ZCA膜的大孔支撑层的尺寸大于CA膜，同时ZCA膜的孔隙率和平均孔径也大于CA膜，这有利于水通量的提高。接触角实验揭示，改性后的ZCA超滤膜亲水性显著增强，表面能增大明显。通过实验证明开发的新型ZCA膜的综合性能优于CA膜，ZCA膜表现出极佳的通量恢复能力以及抗污染能力，其不可逆污染改善明显，特别是经过多次循环超滤实验后该膜的通量恢复率高于90％，实现了超滤膜的稳定运行。制备的ZCA材料适用于传统的相转化制膜工艺，有利于大规模生产并实际应用。
　　(3)最后，两性离子醋酸纤维素(ZCA)与氧化石墨烯(GO)通过物理共混后，利用溶胶-凝胶法制备了ZCA/GO球状吸附材料。研究了其对水中有害离子Cu2+、Cd2+的吸附性能。扫描电子显微镜(SEM)对吸附前后材料表面形貌进行了表征，结果表明其表面均匀分布着大量规则小孔，内部呈现交联网络结构。X射线衍射仪(XRD）测试结果表明制备的ZCA/GO球状吸附材料无明显的晶型结构。探究了溶液pH值、吸附时间、温度、重金属初始浓度四种因素对吸附性能的影响，以Langmuir和Freudlich方程对吸附等温曲线进行拟合，探讨了吸附过程的规律，并研究了吸附过程的动力学。结果表明:在pH值为6.0左右，吸附时间为120min时到达吸附平衡，对Cu2+、Cd2+离子的吸附容量分别为32.03mg/g、27.55mg/g达到吸附最佳，吸附行为符合Langmuir等温吸附模型与伪二级动力学模型，且经过5次循环利用后，吸附量还能到达第一次的86％以上，表明其具有较好的实际应用前景。

目录

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 水处理技术

1．2．1 膜分离技术

1．2．2 吸附技术

1．2．3 电化学技术

1．3 纤维素基膜材料的研究进展

1．4 纤维素基吸附材料的研究进展

1．4．1 阳离子型纤维素吸刚帮

1．4．2 阴离子型纤维素吸附剂

1．4．3 两性离子型纤维素吸附剂

1．4．4 离子螯合型纤维素吸附剂

1．5 两性离子聚合物

1．6 氧化石墨烯(GO)

1．7 课题研究内容及意义

2 两性离子醋酸纤维(ACA)的制备

2．3 两性离子醋酸纤维素(ZCA)的制备

2．3．1 选择性氧化反应

2．3．2 席夫碱反应

2．3．3 季胺化反应

2．4 两性离子醋酸纤维素结构与性能表征

2．4．1 两性离子醋酸纤维素黏度测试

2．4．3 两性离子醋酸纤维素表面元素分析(XPS)

2．4．4 两性离子醋酸纤维素热性能分析(TGA)

2．5 本章小结

3 两性离子醋酸纤维素超滤膜的制备及其性能表征

3．1 引言

3．2 实验药品

3．3 两性离子醋酸纤维素超滤膜的制备

3．4 两性离子醋酸纤维素超滤膜的性能表征

3．4．1 两性离子醋酸纤维素超滤膜形貌表征(SEM)

3．4．2 两性离子醋酸纤维素超滤膜孔隙率和平均孔径测试

3．4．3 两性离子醋酸纤维素超滤膜静态水接触角测试(CA)

3．4．4 两性离子醋酸纤维素超滤膜表面蛋白质吸附测试

3．5 两性离子醋酸纤维素超滤膜分离性能和抗污染性能研究

3．5．1 超滤膜性能测试研究

3．5．2 两性离子醋酸纤维素超滤膜分离性能研究

3．5．3 两性离子醋酸纤维素超滤膜抗污染性能研究

3．6 本章小结

4 基于ZCA／GO球状吸附材料的制备及其吸附性能的研究

4．1 引言

4．2 实验药品

4．4．1 ZCA／GO球状吸附材料傅里叶红外光谱分析(FTIR)

4．4．2 ZCA／GO球状吸附材料X射线衍射仪分析(XRD)

4．4．3 ZCA／GO球状吸附材料表面形貌表征(SEM)

4．5 ZCA／GO球状吸附材料对铜、镉离子的吸附实验分析

4．5．1 ZCMGO球状吸附材料对铜、镐离子的吸附实验

4．5．2 溶液pH值对吸附效果的影响

4．5．3 温度对吸附效果的影响

4．5．4 吸附时间对吸附效果的影响

4．5．5 初始浓度对吸附效果的影响

4．5．6 ZCA／GO球状吸附材料的铜、镉吸附等温线

4．5．7 ZCA／GO球状吸附材料的铜、镉吸附动力学曲线

4．5．8 ZCA／GO球状吸附材料解吸附实验

4．6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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