Fe3O4@SiO2-壳聚糖纳米复合材料的制备、表征及对铜离子的吸附研究

摘要

近年来重金属污染问题日益突出，水环境中的重金属残留浓度持续升高，具有易积累、毒性大、难降解等特点。微量的重金属即可构成毒害效应，通过沉淀、吸附和食物链的放大作用，对水生生物和人类健康构成威胁。传统的重金属处理工艺存在成本高、易产生二次污染等问题，因而新型磁性纳米吸附剂为实现高效、低成本的水处理提供了新的途径，有较为广阔的应用前景。
　　本文采用共沉淀法合成了 Fe3O4纳米材料，使用 SiO2对其进行包覆，合成了Fe3O4@SiO2纳米材料。以戊二醛为交联剂，交联壳聚糖(CTS)与Fe3O4@SiO2纳米材料，成功制备了Fe3O4@SiO2-CTS纳米复合材料，并对其进行了结构和外貌表征，研究了其对水中铜离子的吸附行为。实验的主要结论如下：
　　制备合成了Fe3O4、Fe3O4@SiO2和Fe3O4@SiO2-CTS纳米复合材料，采用X射线粉末衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和傅立叶变换红外光谱(FT-IR)对其进行了表征，研究结果如下：（1）XRD分析表明合成的纳米复合材料结晶较好，具有反尖晶石型面心立方结构；（2）TEM分析表明Fe3O4@SiO2-CTS纳米复合材料具有较为明显的核壳结构，结构较为松散，尺寸大约在8nm-22 nm之间；（3）FT-IR分析表明SiO2已经成功包覆在Fe3O4纳米材料的表面，壳聚糖通过戊二醛的交联作用较好地连结在Fe3O4@SiO2上，合成的Fe3O4@SiO2-CTS纳米复合材料含有大量-OH、-NH2等活性基团。
　　以Fe3O4和Fe3O4@SiO2纳米材料作为对照，考察了Fe3O4@SiO2-CTS的投加量、溶液pH值、吸附时间和温度对铜离子吸附性能的影响，并进行了吸附动力学、热力学分析以及复合材料的再生回用性能评价。研究结果表明：（1）吸附剂的最佳投加量为12 mg/L；（2）在pH2.0-6.0范围内，吸附剂对Cu2+的吸附量随溶液pH的增大而增加，吸附反应的最佳pH为6.0；（3）吸附动力学结果显示，反应在30 min左右达到吸附平衡；Fe3O4对 Cu2+的吸附过程符合准一级吸附动力学模型，Fe3O4@SiO2和 Fe3O4@SiO2-CTS对 Cu2+的吸附过程符合准二级吸附动力学模型，以化学吸附为主；（4）吸附等温线表明，Fe3O4对 Cu2+的吸附过程较为符合 Freundlich模型，Fe3O4@SiO2和Fe3O4@SiO2-CTS对Cu2+的吸附过程更加符合Langmuir模型，为单分子层吸附；在298 K下，Fe3O4@SiO2-CTS对Cu2+的最大吸附量为154.80 mg/g；（5）吸附过程是一个自发、放热的过程；（6）合成的Fe3O4@SiO2-CTS纳米复合材料性质比较稳定，具有良好的再生回用性能。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 水体中重金属对水环境影响及处理概况

1.1.1 重金属废水概述

1.1.2 重金属水污染现状

1.1.3 重金属对环境影响

1.1.4 重金属废水处理方法

1.2 磁性Fe3O4纳米材料的制备及研究进展

1.2.1 Fe3O4纳米材料的制备

1.2.2 Fe3O4@SiO2纳米复合材料的制备

1.2.3 Fe3O4纳米材料对重金属去除的研究进展

1.2.4 纳米复合材料的表征方法概述

1.3 壳聚糖对水体重金属的吸附

1.3.1 壳聚糖的结构及特性

1.3.2 壳聚糖在重金属废水处理中的应用

1.4 研究内容、目的与意义

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究目的及意义

2 Fe3O4@SiO2-壳聚糖纳米复合材料的制备及表征

2.1 实验部分

2.1.1 实验试剂

2.1.2 实验仪器

2.1.3 实验测试与表征

2.2 结果和讨论

2.2.1 吸附剂的制备

2.2.2 吸附剂的表征

2.3 本章小结

3 Fe3O4@SiO2-壳聚糖纳米复合材料对Cu2+的吸附研究

3.1 实验部分

3.1.1 实验试剂和仪器

3.1.2 实验方案

3.2 结果和讨论

3.2.1 铜离子标准曲线的测定

3.2.2 吸附剂投加量对吸附的影响

3.2.3 溶液pH值对吸附的影响

3.2.4 吸附动力学

3.2.5 吸附等温线

3.2.6 吸附热力学

3.2.7 吸附再生回用性评价

3.3 本章小结

4 结论与建议

4.1 结论

4.2 展望

致谢

参考文献

附录 攻读学位期间发表论文目录