壳聚糖/蒙脱土类插层复合物的制备表征及其吸附性能研究

摘要

壳聚糖(chitosan, CTS)是自然界唯一大量存在的碱性多糖,其分子链上大量的氨基和羟基对金属离子、染料分子及有机物等具有良好的吸附作用。蒙脱土(montmorillonite, MMT)在自然界储量丰富,具有良好的阳离子交换能力和较大的表面积。近年来,壳聚糖/蒙脱土插层复合物由于其独特的结构和功能性质引起了人们的广泛兴趣。本文以壳聚糖和蒙脱土为原料制备了壳聚糖/蒙脱土插层复合物(chitosan/montmorillonite intercalation composites, CTS/MMT),并分别以水杨醛(salicylaldehyde)和十六烷基三甲基溴化铵(cetyl trimethyl ammonium bromide, CTAB)为改性剂,对壳聚糖和蒙脱土进行改性,制备水杨醛改性壳聚糖/蒙脱土插层复合物(S-CTS/MMT)和水杨醛改性壳聚糖/十六烷基三甲基溴化铵改性蒙脱土插层复合物(S-CTS/CTAB-MMT),并对其结构进行了表征。以壳聚糖/蒙脱土类插层复合物为吸附剂吸附活性染料和酚类物质,考察了不同实验条件对吸附性能的影响,研究了吸附热力学和吸附动力学,探讨了吸附机理,并对吸附剂的再生性能进行研究,为其在废水处理上的应用提供依据。
　　主要研究内容和结论如下:
　　(1)采用溶液插层法,利用壳聚糖和蒙脱土制备了壳聚糖/蒙脱土插层复合物(CTS/MMT),运用红外光谱和 X-射线衍射分析对其结构进行了表征。以此插层复合物为活性红染料(Reactive Red136, RR136)的吸附剂,考察了复合物中壳聚糖与蒙脱土的摩尔比、染料溶液pH值和浓度、吸附温度及吸附剂用量等因素对吸附性能的影响。结果表明,吸附反应的最佳条件是以壳聚糖与蒙脱土摩尔比为5:1的插层复合物为吸附剂,反应温度20oC,RR136溶液 pH值为3。CTS/MMT对 RR136的吸附更符合 Langmuir模型,吸附热力学参数表明CTS/MMT对活性红染料的吸附是自发的、以物理吸附为主的放热反应。CTS/MMT对 RR136的吸附更符合拟二级动力学方程,RR136在该复合物上的吸附速率受颗粒外扩散过程的控制。连续进行15次吸附/再生循环后,吸附剂的吸附容量和再生率分别为266.27 mg/g和60.5％,表明CTS/MMT吸附剂具有较好的再生重复使用潜力。
　　(2)对壳聚糖进行分子修饰制备水杨醛改性壳聚糖( salicylaldehyde-modified chitosan, S-CTS),与蒙脱土插层制备水杨醛改性壳聚糖/蒙脱土插层复合物(S-CTS/MMT),以S-CTS/MMT做吸附剂,研究了其对苯酚、4-氯苯酚、4-硝基苯酚和对苯二酚的吸附性能。结果表明,S-CTS/MMT对酚类物质的吸附容量大小依次为,4-硝基酚、4-氯苯酚、对苯二酚和苯酚。S-CTS/MMT对酚类物质的吸附更符合Langmuir吸附模型,表明在复合物表面的吸附位点基本属于同种类型,吸附行为接近于单分子层吸附理论。S-CTS/MMT对酚类物质的吸附动力学更符合拟二级动力学方程,表明酚类物质在该复合物上的吸附速率受颗粒外扩散过程的控制。S-CTS/MMT与酚类物质的吸附作用以π-π作用力、氢键和疏水作用为主,而不是静电作用力。
　　(3)对蒙脱土进行化学改性制备得十六烷基三甲基溴化铵改性蒙脱土(CTAB-modified montmorillonite, CTAB-MMT),CTAB-MMT与S-CTS插层制备水杨醛改性壳聚糖/十六烷基三甲基溴化铵改性蒙脱土插层复合物(S-CTS/CTAB-MMT),以S-CTS/CTAB-MMT作吸附剂处理苯酚、4-氯苯酚、4-硝基苯酚和对苯二酚,结果表明,与 S-CTS/MMT相比,S-CTS/CTAB-MMT对酚类物质吸附性能显著提高。S-CTS/CTAB-MMT对酚类物质的吸附更符合Freundlich吸附模型,表明吸附过程为通过分子间相互作用而发生的多分子层吸附。S-CTS/CTAB-MMT对酚类物质的吸附动力学更符合拟二级动力学方程,表明酚类物质在该复合物上的吸附速率受颗粒外扩散过程的控制。S-CTS/CTAB-MMT与酚类物质的吸附作用包括S-CTS与酚类物质分子之间的π-π作用力、氢键和疏水作用以及 CTAB-MMT中阳离子表面活性剂和酚类物质之间的静电作用力。吸附再生实验表明,连续进行5次吸附/再生循环后,吸附剂S-CTS/CTAB-MMT对4-氯苯酚和4-硝基酚的再生率分别为54.9%和44.2%,吸附剂仍保持了良好的插层结构。

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1. 文献综述

1.1引言

1.2壳聚糖及壳聚糖的化学改性

1.3蒙脱土及蒙脱土的有机改性

1.4 壳聚糖/蒙脱土插层复合物

1.5壳聚糖/蒙脱土类插层复合物在水处理中的应用

2. 主要内容、技术路线及创新点

2.1主要内容

2.2技术路线

2.3创新点

3. 壳聚糖/蒙脱土插层复合物的制备表征及对活性染料的吸附性能

3.1引言

3.2材料与仪器

3.3实验部分

3.4结果与讨论

3.5结论

4. 水杨醛改性壳聚糖/蒙脱土插层复合物的制备表征及对酚类物质的吸附性能

4.1引言

4.2材料与仪器

4.3实验部分

4.4结果与讨论

4.5结论

5. 水杨醛改性壳聚糖/十六烷基三甲基溴化铵改性蒙脱土插层复合物的制备表征及对酚类物质的吸附性能

5.1引言

5.2材料与仪器

5.3实验部分

5.4结果与讨论

5.5结论

6. 结论

参考文献

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