魔芋葡甘聚糖交联羧甲基改性及其对金属离子的吸附和解吸性能研究

摘要

魔芋葡甘聚糖(KonjacGlucomannan，简称KGM)是继淀粉和纤维素之后，一种较为丰富的可再生天然高分子资源，已成为具有应用前景的环境友好生物材料。本文以魔芋葡甘聚糖为主要研究对象，在了解魔芋葡甘聚糖在不同pH值的溶液行为的基础上，研究了魔芋葡甘聚糖进行交联羧甲基改性的最佳条件，探讨了交联羧甲基魔芋葡甘聚糖对金属离子的吸附及解吸性能，表征了魔芋葡甘聚糖、交联羧甲基魔芋葡甘聚糖(CrosslinkedCarboxymethylKonjacGlucomannan，简称CCMKGM)及其吸附金属离子后产物(MetalCrosslinkedCarboxymethylKoniacGlucomannan，简称MCCMKGM)的结构特点。本实验的主要结论如下： 1.魔芋葡甘聚糖在不同pH值的溶液构象初探。 采用粘度法研究不同pH值下魔芋葡甘聚糖(KGM)溶液的特性粘度，采用刚果红染色法分析了不同pH值和尿素浓度对KGM溶液构象的影响。特性粘度实验表明：在pH值为4、6、7、8、10时，0.6g/L的KGM的特性粘度分别为1520.2mL/g、1472mL/g、1616.6mL/g、1590.5mL/g、1414.1mL/g，代入已建立的Mark-Houwink方程［η］=5.96×10-2Mw0.73，求得对应pH值下KGM的重均摩尔质量Mw分别为1.07×106、1.04×106、1.18×106、1.16×106、0.99×106；刚果红(CR)实验表明：KGM可能具有某种螺旋结构，而高pH值条件可能致使这种螺旋结构发生解体。 2.交联羧甲基魔芋葡甘聚糖改性条件的研究。 以异丙醇为分散剂，环氧氯丙烷为交联剂，在碱性介质中由一氯乙酸和魔芋葡甘聚糖(KGM)反应，制备交联羧甲基魔芋葡甘聚糖(CCMKGM)，通过二次回归正交旋转组合设计对其进行了优化，根据SAS分析得出最佳制备条件：NaOH为12mL、MCA为12mL、ECH为1mL，在最佳条件下测得取代度为0.6068。改性KGM对金属离子Cu2+、Cr3+、Cd2+、pb2+的吸附率及其吸附容量：对Cu2+的吸附率为78.62％，Cr3+的吸附率为85.47％，Cd2+的吸附率为74.20％、Pb2+的吸附率为99.15％；对Cu2+的吸附容量为24.94mg/g，Cr3+的的吸附容量为24.27mg/g，Cd2+的吸附容量为23.92mg/g，Pb2+的吸附容量为26.04mg/g。 3.交联羧甲基魔芋葡甘聚糖对金属离子的吸附及解吸性能研究。 考察了金属离子初始浓度、吸附时间、吸附剂用量、pH、温度对交联羧甲基魔芋葡甘聚糖吸附水中Cu2+、Cd2+、Cr3+以及Pb2+的影响，对吸附动力学进行了探讨。结果表明，金属离子初始浓度、吸附时间、吸附剂用量、pH是影响吸附效果的重要因素，在金属离子初始浓度为200mg/L、吸附剂用量0.75％、pH值为5、温度为25℃时对金属离子的吸附率最好。经过20min，四种金属离子在交联羧甲基魔芋葡甘聚糖上的吸附可达平衡，吸附率分别为Cu2+93.51％、Cd2+91.02％、Cr3+89.68％、pb2+97.64％。对交联羧甲基魔芋葡甘聚糖吸附金属离子后的解吸试验可知：采用0.3mol/L的HCl、在20min的条件下对Cd(99.6％)、Cu(86.3％)的解吸效果较好，而对Cr(21.8％)、Pb(5.8％)的解吸效果较差。 4.魔芋葡甘聚糖、交联羧甲基魔芋葡甘聚糖及其吸附金属离子后产物的结构表征。 通过傅立叶红外光谱、拉曼光谱、X-射线衍射光谱以及扫描电镜等现代仪器分析手段，对魔芋葡甘聚糖、交联羧甲基魔芋葡甘聚糖及其吸附金属离子后产物进行了结构表征。 由红外光谱图谱和拉曼光谱图谱分析：KGM存在乙酰基，通过交联羧甲基改性后，在CCMKGM中乙酰基被脱除。另外，在指纹区，三者的结构也发生了很大的变化。 X-衍射图谱分析：KGM的X-衍射图谱，KGM主要呈现无定型结构，仅有少数结晶。CCMKGM晶型结构也没有发生大的变化，但有新的衍射峰出现。而MCCMKGM峰的强度明显降低，面间距变小。 电镜扫描分析：魔芋葡甘聚糖表层的细胞壁层排列相当紧密，表面光滑。羧甲基交联魔芋葡甘聚糖颗粒表面凸凹不平，呈褶皱状。交联魔芋葡甘聚糖吸附金属后，在表面形成一层层厚厚的吸附层。

目录

文摘

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声明

第一章前言

1.1 KGM的理化性质

1.2 KGM的结构

1.2.1 KGM的一级结构

1.2.2 KGM的二级结构

1.2.3 KGM的三级结构

1.3 KGM的化学改性研究

1.3.1 KGM的脱乙酰基改性

1.3.2 KGM的交联改性

1.3.3 KGM的酯化改性

1.3.4 KGM的氧化改性

1.3.5 KGM的接枝共聚改性

1.3.6 KGM的醚化改性

1.3.7 KGM的互穿聚合物网络(IPN)

1.3.8共混

1.4改性KGM的应用研究

1.5交联羧甲基改性魔芋葡甘聚糖的原理

1.6本课题提出的意义

1.7本课题主要研究内容

1.7.1魔芋葡甘聚糖在不同pH值的构象初探

1.7.2交联羧甲基魔芋葡甘聚糖改性条件的研究

1.7.3交联羧甲基魔芋葡甘聚糖对金属离子的吸附及解吸性能研究

1.7.4魔芋葡甘聚糖、交联羧甲基魔芋葡甘聚糖及其吸附金属离子后的产物结构表征

第二章魔芋葡甘聚糖在不同pH值的构象初探

2.1引言

2.2材料与方法

2.2.1材料与设备

2.2.2实验方法

2.3结果与分析

2.3.1特性粘度实验

2.3.2刚果红(CR)实验

2.4讨论

第三章交联羧甲基魔芋葡甘聚糖改性条件的研究

3.1引言

3.2材料与方法

3.2.1试剂与仪器

3.2.2实验方法

3.3结果与分析

3.3.1单因素试验分析

3.3.2正交实验结果及分析

3.3.3金属离子的吸附试验

3.4讨论

第四章交联羧甲基魔芋葡甘聚糖对金属离子的吸附及解吸性能研究

4.1引言

4.2材料与方法

4.2.1实验材料和仪器

4.2.2试验方法

4.3结果与分析

4.3.1吸附试验

4.3.2解吸试验

4.3.3对实际污水的吸附和解吸试验

4.4结论

第五章魔芋葡甘聚糖、交联羧甲基魔芋葡甘聚糖及其吸附金属离子后产物的结构表征

5.1引言

5.2材料与方法

5.2.1原料与试剂

5.2.2主要仪器与设备

5.2.3红外光谱分析

5.2.4广角X-射线衍射分析

5.2.5激光拉曼光谱分析

5.2.6扫描电镜分析

5.3结果与分析

5.3.1红外图谱分析

5.3.2 X-射线衍射分析

5.3.3拉曼光谱分析

5.3.4扫描电镜分析

第六章结论

6.1魔芋葡甘聚糖在不同pH值的构象

6.2魔芋葡甘聚糖的交联羧甲基改性条件

6.3交联羧甲基魔芋葡甘聚糖对金属离子的吸附及解吸性能

6.4魔芋葡甘聚糖、交联羧甲基魔芋葡甘聚糖及其吸附金属离子后产物的结构表征

主要参考文献

致 谢