多孔半互穿温敏水凝胶负载NZVI对硝基甲苯类有毒物质处理研究

摘要

硝基甲苯类物质属于有毒难降解物质，具有很强的三致毒性。它可能由于安全生产事故或污水处理不当进入环境，对生物和人体造成长期潜在的危害，而引起人们的广泛关注。由于其化学性质稳定，很难被生物降解。纳米零价铁可以将硝基甲苯类有毒物质还原成易被生物降解的甲苯胺类物质。但是纳米零价铁存在着容易失活和团聚的问题，而制备负载型纳米零价铁可以避免这些问题。本文以制备的多孔半互穿温敏水凝胶为载体负载纳米零价铁处理硝基甲苯类有毒物质。载体的大孔结构将有利于硝基甲苯分子的进入，载体的温度敏感性将有利于还原过程的控制和负载纳米零价铁的储存稳定性。这种负载型还原剂还可以用于硝基甲苯类有毒物质的应急处理。
　　首先，以N-异丙基丙烯酰胺（NIPAm）为单体，聚乙二醇（PEG）为致孔剂，引入线性聚合物聚甲基丙烯酸-β-羟乙酯（PHEMA）为第二单体，通过自由基溶液聚合法制备了具有贯穿孔洞结构、快速相转变的多孔半互穿网络型温敏水凝胶载体。考察了致孔剂分子量、致孔剂用量、交联剂用量，质量比PHEMA/NIPAm等因素对凝胶的结构和性能的影响。通过FT-IR、SEM、DSC、BET等手段对凝胶的结构、微观形貌、相转变温度、溶胀性能、比表面积等进行表征，发现质量比PHEMA/NIPAm=0.25、BIS用量为单体总量的2.67%、PEG分子量在1000～2000是合成综合性能较好的温敏水凝胶的重要参数。最佳制备条件下的水凝胶孔径约为10μm，比表面积约为21m2/g，室温下90分钟可以达到溶胀平衡，50℃下可在10分钟内失去90%以上水分，其相转变温度LCST在35.8℃左右。
　　其次，以最佳结构的多孔半互穿温敏水凝胶为载体，采用液相原位还原法负载纳米零价铁，根据称重法和EDS数据计算得到纳米零价铁平均负载量为111mg/g。溶胀的凝胶负载NZVI之前为透明的，吸附Fe3+后变成浅黄色，还原成NZVI后为黑色凝胶。比较NZVI-PNIPAm/PHEMA的 SEM微观形貌图，纳米零价铁成功负载到凝胶载体上，纳米零价铁颗粒均匀分散在孔洞内部，没有影响载体的孔洞结构，负载的 NZVI大小约为300nm。
　　然后以4-硝基甲苯为目标处理物，考察了pH、NZVI-PNIPAm/PHEMA用量、4-硝基甲苯初始浓度等因素对4-硝基甲苯处理效率的影响，确定了最佳处理条件为 pH=2、mNZVI-PNIPAm/PHEMA=2g、初始浓度60mg/L。最佳处理条件下4-硝基甲苯的还原处理效率可达98.52%。接着探讨处理了4-硝基甲苯过程中的还原反应动力学和反应机理以及NZVI-PNIPAm/PHEMA的储存稳定性、可再生重复利用性。真空干燥后放置三个月的NZVI-PNIPAm/PHEMA还原处理效率仍可达90%以上，再生重复利用4次后其还原处理效率仍可达90%以上。最后研究了NZVI-PNIPAm/PHEMA对邻硝基甲苯、间硝基甲苯、二硝基甲苯、三硝基甲苯等其他硝基甲苯类物质的处理，均能达到较好的处理效果。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 论文研究背景

1.2 硝基甲苯类有毒物质的来源

1.3硝基甲苯类有毒物质的处理现状

1.4 多孔半互穿温敏水凝胶的制备及应用现状

1.5纳米零价铁的负载方法和应用现状

1.6论文的研究目的意义及内容

第2章 多孔半互穿温敏凝胶载体的制备及其性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4小结

第3章 NZVI-PNIPAm/PHEMA的合成与表征

3.1引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 小结

第4章 NZVI-PNIPAm/PHEMA对4-硝基甲苯的处理

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 NZVI-PNIPAm/PHEMA处理4-硝基甲苯的影响因素及反应动力学研究

4.4 NZVI-PNIPAm/PHEMA还原4-硝基甲苯反应过程和机理分析

4.5 NZVI-PNIPAm/PHEMA的储存稳定性

4.6 NZVI-PNIPAm/PHEMA的可再生重复利用性能

4.7小结

第5章NZVI-PNIPAm/PHEMA处理其他硝基甲苯实验

5.1 实验部分

5.2 结果与讨论

5.3本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

6.3 本文的创新点

参考文献

致谢

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