海洋生物材料和碳纳米材料对水中有害离子的吸附性能研究

摘要

近年来，随着社会工业化进程的加速，经济建设的迅猛发展，大量污染物包括重金属和氟离子污染物排入河流，使水环境污染日趋严重。由于重金属一般具有较大的毒性、高的移动性和低的中毒浓度，在水体中不能被生物降解，一些重金属还可在微生物作用下转化为具有更强毒性的重金属化合物。人们可通过饮水及食物链的作用，在体内富集越来越多的重金属而中毒，严重的甚至导致死亡。国内、外学者报道长期过量摄入氟化物可引起氟中毒。长期饮用高氟水会导致氟中毒，严重的氟中毒病人将丧失劳动能力。因此，水体中有害离子污染已经成为当今最严重的环境问题之一，广大学者都在努力寻找科学有效的去除水中重金属的方法。针对如此多的水体微污染物净化处理方法，吸附法是一种简单的、有前景的而且是已经被广泛应用的方法。本文对各种海洋生物材料，及其复合材料的水体中有害离子的吸附性能及吸附机理进行了研究。
　　 本研究采用溶胶-凝胶法制备了壳聚糖小球以及纤维，通过对比不同的干燥方法得到的小球及纤维对铜离子的吸附性能，得出冷冻干燥法干燥的壳聚糖纤维(F-CSX)对水中铜离子的吸附效果最好，并且极好的符合Langmuir模型，最大吸附能力达到64.52mg/g。青岛沿海收集到的浒苔(EP)，在实验室中进行洗涤、烘烤干燥处理后采用高锰酸钾进行氧化，得到了一种新的零成本的环境友好型吸附材料。经过试验表明：与未经氧化的浒苔相比，大大提高了对铜离子的吸附性能。利用Langmuir等温吸附式计算出KMnO4-EP在60℃下和pH为5.5时对铜离子的最大吸附量qmax为108.70mg/g。对比研究了海藻酸钙/多孔硅复合材料和纯多孔硅对铜离子的吸附作用，结果表明：海藻酸钙/多孔硅复合材料在相同铜离子浓度下的吸附性能优于纯多孔硅，其吸附速率也明显大于纯多孔硅。利用SEM、FTIR、BET等方法分别测定了改性前后多孔硅材料的形貌和物理化学性质。利用Langmuir等温吸附式计算出海藻酸钙/多孔硅复合材料在60℃下和pH为5.0时的铜离子最大吸附量为49.02mg/g。石墨烯是碳材料家族中的新成员，用液相剥落石墨棒的方法制备了石墨烯，并且通过SEM，TEM对石墨烯进行了表征，以及zeta电位和FTIR图谱分析。经吸附实验得出石墨烯吸附氟离子很好的符合Langmuir和Freundlich等温吸附模型。当pH=7.0，温度为25℃时，石墨烯对氟离子的的最大吸附量达到49.51mg/g。吸附动力学数据很好的符合pseudo-second-order动力学模型，吸附是一个化学控制的过程，并且经热力学研究表明，石墨烯吸附氟离子是一个自发的、吸热的，不可逆的过程。