阳离子化淀粉接枝聚丙烯酰胺及其包覆纳米FE3oO4的研究

摘要

焦化废水的低成本高效率深度处理是一个世界性难题。淀粉与壳聚糖等天然高聚物基絮凝剂被称为“21世纪的绿色絮凝剂”，可望为焦化废水的深度治理开辟一条绿色之道。淀粉与丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵共聚物St-g-P(AM-DMDAAC)是在亲水性、半刚性的淀粉分子骨架上引入柔性的PAM支链和带有正电荷的PDMDAAC支链，既有天然高分子的特性，又兼具合成高分子的机械与生物作用的稳定性、线性结构的展开能力及电性中和功能。而磁性高分子微球是通过适当的方法将无机纳米磁性颗粒与有机高分子材料结合起来，形成一种同时具有磁响应性与高分子特殊结构性能的复合体，在生命科学和环境领域均展现出独特的应用前景。
　　本研究采用盐水溶液微波聚合技术，两步合成了阳离子化淀粉接枝聚丙烯酰胺，并探索性地运用(自)组装包埋法，通过接枝产物包覆纳米Fe3O4制备了磁性高分子微球。最后将淀粉接枝共聚物和磁性高分子微球应用于焦化废水深度处理。具体研究如下:
　　优化了原淀粉预处理工艺，物理性地脱除了淀粉中的蛋白质和脂质，显著改善了淀粉的糊化程度。预处理淀粉经盐水微波糊化后糊液的透光率超过60％，糊化效果优于原淀粉和其他预处理淀粉。
　　以接枝效率、接枝率和阳离子度为考察指标，对预处理淀粉接枝二甲基二烯丙基氯化铵的过程进行单因素实验，研究确定了预处理淀粉阳离子化的较优工艺条件为:预处理淀粉的量为1.5g/70mL，盐水浓度为2g/70mL，反应体系pH=9，引发剂过硫酸钾浓度为2mmol/L，阳离子单体与淀粉质量比为4∶1，微波加热时间为150s，微波加热功率为600W。
　　以接枝效率、接枝率和阳离子度为考察指标，对阳离子化淀粉接枝聚丙烯酰胺的过程进行单因素实验和正交实验，研究确定了最佳合成工艺条件为:预处理淀粉量为1.5g/90mL，反应体系pH=9，补充盐量为1.5g/90mL，补充引发剂过硫酸钾浓度为1.0mmol/L，单体丙烯酰胺与预处理淀粉质量比为3.3∶1，微波加热时间为180s，微波加热功率为700W。在此条件下，接枝共聚物的总接枝效率为88.57％，总接枝率为167.08％，阳离子度为0.7897mmol/g，接枝支链分子量为4.62×106。
　　对预处理淀粉阳离子化产品和阳离子化淀粉接枝聚丙烯酰胺进行红外光谱、扫描电镜、X射线衍射等结构表征，证明预处理淀粉阳离子化和接枝聚丙烯酰胺均成功，结构上逐步展现出一定应用潜力。
　　采用自组装包埋法制备了阳离子化淀粉接枝聚丙烯酰胺包覆纳米Fe3O4磁性高分子微球，对产品进行红外光谱、扫描电镜、X射线衍射等结构表征，结果表明，接枝共聚物成功包覆磁性颗粒，磁性高分子微球粒径约21nm，包覆层厚度约12nm。
　　以化学需氧量、色度和浊度的脱除率为考察指标，对无机絮凝剂复配高分子絮凝助剂，协同磁性高分子微球、表面活性剂处理焦化废水的过程进行单因素实验和正交实验研究，确定了最佳工艺条件为:在不调节废水pH的条件下，聚合硫酸铁投加量为1.2g/L，阳离子化淀粉接枝聚丙烯酰胺投加量为3.0mg/L，表而活性剂CTAB投加量为62.5mg/L，淀粉接枝共聚物包覆Fe3O4投加量为15mg/L。在此条件下，处理色度为320°、CODCr为160.52mg/L的焦化废水，可将色度降至35°，去除率为89.06％，CODCr降至67.91mg/L，脱除率为57.69％，，浊度脱除率95％以上，效果较优。经与同类产品比较分析可得，本研究合成的阳离子化淀粉接枝聚丙烯酰胺絮凝助剂应用性能优于商品CPAM。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 淀粉的糊化

1．1．1 淀粉糊化的原理

1．1．2 影响淀粉糊化的因素

1．2 淀粉的接枝共聚

1．2．1 接枝单体

1．2．2 加热方式

1．2．3 聚合体系

1．2．4 应用进展

1．3 磁性高分子微球

1．3．1 磁性高分子微球的分类

1．3．2 磁性高分子微球的制备方法

1．3．3 磁性高分子微球的应用

1．4 本课题的研究意义与内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

第二章 淀粉的预处理

2．1 化学药品与仪器设备

2．1．1 主要化学药品

2．1．2 主要仪器设备

2．2 微波红外测温校正

2．3 淀粉的预处理

2．3．1 预处理的目的

2．3．2 预处理的方法

2．3．3 预处理技术条件优化

2．4．淀粉预处理前后的结构性能

2．4．1 扫描电镜分析

2．4．2 红外光谱分析

2．4．3 X射线衍射分析

2．5 糊化效果比较

2．6 本章小结

第三章 淀粉的微波辐照阳离子化

3．1 化学药品与仪器设备

3．1．1 主要化学药品

3．1．2 主要仪器设备

3．2 制备原理与步骤

3．2．1 阳离子化的基本原理

3．2．2 阳离子化的基本步骤

3．2．3 阳离子化淀粉的提纯

3．2．4 产品指标的测定

3．3 阳离子化单因素实验

3．3．1 盐水浓度的影响

3．3．2 预处理淀粉量的影响

3．3．3 反应体系pH的影响

3．3．4 引发剂浓度的影响

3．3．5 DMDAAC／St质量比的影响

3．3．6 微波加热时间的影响

3．3．7 微波加热功率的影响

3．4 本章小节

第四章 阳离子化淀粉微波辐照接枝聚丙烯酰胺

4．1 化学药品与仪器设备

4．1．1 主要化学药品

4．1．2 主要仪器设备

4．2 制备原理与步骤

4．2．1 接枝PAM的基本原理

4．2．2 接枝PAM的基本步骤

4．2．3 产物的提纯

4．2．4 产品指标的测定

4．3 接枝PAM单因素实验

4．3．1 预处理淀粉量的影响

4．3．2 pH的影响

4．3．3 补充盐量的影响

4．3．4 补充引发剂量的影响

4．3．5 丙烯酰胺与预处理淀粉质量比的影响

4．3．6 微波加热时间的影响

4．3．7 微波加热功率的影响

4．4 接枝PAM正交实验

4．4．1 正交实验设计

4．4．2 正交实验结果

4．4．3 正交实验分析

4．5 本章小节

第五章 淀粉接枝共聚物的指标对比与结构分析

5．1 不同报道产品的指标对比

5．1．1 GE／PG／CD比较

5．1．2 特性黏度与分子量比较

5．2 淀粉接枝共聚物的结构分析

5．2．1 红外光谱分析

5．2．2 扫描电镜分析

5．2．3 X射线衍射分析

5．3 本章小结

第六章 淀粉接枝共聚物包覆纳米Fe3O4的探索

6．1 化学药品与仪器设备

6．1．1 主要化学药品

6．1．2 主要仪器设备

6．2 制备原理与步骤

6．2．1 接枝共聚物包覆Fe3O4的基本原理

6．2．2 接枝共聚物包覆Fe3O4的制备方法

6．2．3 接枝共聚物包覆FeaO4的制备装置图

6．3 St-g-P(AM-DMDAAC)包覆Fe3O4结构分析

6．3．1 红外光谱分析

6．3．2 扫描电镜分析

6．3．3 X射线衍射分析

6．4 本章小节

第七章 产品的絮凝与助凝性能

7．1 化学药品与仪器设备

7．1．1 主要化学药品

7．1．2 主要仪器设备

7．2 水质检测指标与方法

7．3 焦化废水样品的特点

7．4 絮凝性能单因素实验

7．4．1 聚合硫酸铁投加量的影响

7．4．2 磁性高分子微球投加量的影响

7．4．3 淀粉接枝共聚物投加量的影响

7．4．4 表面活性剂投加量的影响

7．4．5 pH的影响

7．5 絮凝性能正交实验

7．5．1 正交实验设计

7．5．2 正交实验结果与分析

7．6 不同产品絮凝性能比较

7．7 本章小结

第八章 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的科研成果