硫代杯芳烃功能化修饰及其吸附重金属离子的应用

摘要

治理环境污染是当今世界面临的一项重大而急迫的任务。近年来，随着采矿、冶炼、化工、电镀等行业的快速发展，大量重金属污染物被排放，对生态环境造成了极大的破坏。特别是，大量重金属离子进入水体后，会对人类的生产和生活产生更大的危害。这种危害源于重金属元素具有难降解、高毒性、生物富集等特点。鉴于目前水体重金属离子污染的状况，本论文开展了硫代杯[4]芳烃(thiacalix[4]arene简称TCA)及其金属配合物的一些研究工作。主要内容包含:
　　1.首先制备了第三代超分子主体化合物——硫代杯[4]芳烃，该化合物能与许多过渡金属形成络合物。以TCA为原料，通过磺化反应，得到了磺化硫代杯芳烃(thiacalix[4]arenetetrasulfonate，简称TCAS)，所采用的方法是我们自己设计的全新方法，未见报道。再以磺化硫代杯芳烃作为活性成分,通过静电吸引力负载到717-阴离子树脂上，最终得到了TCAS吸附树脂。
　　2.通过IR、UV-vis、1H NMR等分析手段。对TCA和TCAS的结构进行了表征。对于TCA，IR:2960cm-1处为叔丁基的特征吸收峰;UV-vis:λmax=320 nm;1H NMR:在δ9.6出现了酚羟基氢的信号，同时三类氢的积分面积比符合其TCA中氢原子个数比。对于TCAS，IR:2960cm-1处的叔丁基的特征吸收峰消失，而在1180cm-1处出现磺酸基团的特征吸收峰;UV-vis:λmax=301.4nm;1H NMR:仅仅在δ7.86出现了一个单峰，为苯环氢的信号。
　　3.通过IR、UV-vis等分析手段对TCAS吸附树脂进行了检测。结果表明，TCAS与阴离子树脂有很好的结合作用，TCAS不会从阴离子树脂的表面脱落，该吸附树脂在水中也有很好的稳定性。
　　4.通过空白对照试验，研究了TCAS吸附树脂和空白树脂对Pb2+、Cu2+吸附去除率。实验表明，TCAS吸附树脂对水体中的Pb2+、Cu2+有很好的吸附效果，该吸附树脂对Pb2+和Cu2+的吸附容量分别为14.26 mg/g和29.78 mg/g。
　　5.通过改变树脂用量、吸附所用时间、温度和重金属离子溶液的pH值等条件，得出了在不同条件下吸附树脂对Pb2+、Cu2+的去除率，从而得到了最佳实验条件。具体来说，TCAS吸附树脂对Pb2+、Cu2+的去除效果会随着树脂用量的增大而提高;吸附达到平衡所用的时间会随着温度的升高而增加，但是去除率却随着温度的升高而降低。当吸附达平衡时，残余的Cu2+浓度可达到国家饮用水标准，而Pb2+浓度达到了国家工业用水排放标准;在pH值由4～8的变化过程中，TCAS吸附树脂对Cu2+的吸附去除变化幅度并不大，也即在溶液呈中性或弱酸性时，吸附树脂对Cu2+去除率最大。而TCAS吸附树脂对Pb2+的吸附对环境的要求更为宽松，在中性、弱酸性和弱碱性环境下均有较好的去除效果。
　　6、我们还进一步研究了在重金属离子共存体系中，TACS吸附树脂对多种重金属离子Pb2+、Cu2+和Cd2+共存的溶液吸附优先性规律，得出TACS吸附树脂对这几种金属离子的吸附顺序为Cu2+＞Cd2+＞Pb2+。通过研究有背景阳离子Ca2+、Mg2+存在的情况下，TCAS吸附树脂对Pb2+、Cu2+吸附去除率，我们发现，TCAS吸附树脂对Ca2+和Mg2+吸附作用很弱，而对Pb2+、Cu2+有很强的去除作用。这样的结果令人满意，因为它可以保证，在水处理过程中，既除去了有害的重金属离子，同时又保留了对人体健康有益的Ca2+和Mg2+离子。

目录

摘要

第一章 综述

1．1 常见的重金属离子及其危害

1．2 重金属污染水的治理

1．2．1 化学方法

1．2．2 物理化学方法

1．3 常见的吸附材料

1．3．1 活性炭

1．3．2 壳聚糖

1．3．3 沸石

1．3．4 离子交换树脂

1．3．5 农林废弃物吸附剂

1．4 硫代杯芳烃

1．5 硫代杯芳烃的结构

1．6 硫代杯芳烃的合成

1．7 硫代杯芳烃的结构修饰

1．7．1 下沿修饰

1．7．2 桥联硫原子的修饰

1．7．3 上沿修饰

1．8 硫代杯芳烃的应用

1．9 本文的研究目的和意义

第二章 硫代杯[4]芳烃及其金属配合物的合成与表征

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂与仪器

2．2．2 硫代杯芳烃的合成

2．2．3 TCA的结构表征

2．2．4 配合物合成

2．3 结果与讨论

2．3．1 配合物的紫外-可见吸收光谱

2．3．2 配合物的红外吸收光谱

2．3．3 元素分析

2．4 配合物的结构

2．5 小结

第三章 磺化的硫代杯[4]芳烃对水中重金属离子的吸附去除研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 主要试剂与仪器

3．2．2 TCAS的合成

3．2．3 TCAS吸附树脂的制备

3．2．4 TCAS的结构表征

3．2．5 TCAS吸附树脂的红外表征

3．2．6 吸附试验

3．3 测定方法

3．4 计算方法

3．4．1 吸附量

3．4．2 去除率

3．5 结果与讨论

3．5．1 TCAS吸附树脂对Cu2+、Pb2+的吸附量

3．5．2 TCAS吸附树脂的用量对Cu2+、Pb2+吸附的影响

3．5．3 温度对TCAS吸附树脂吸附Cu2+、Pb2+的影响

3．5．4 pH值对TCAS吸附树脂吸附Cu2+、Pb2+的影响

3．5．5 TCAS吸附树脂对多种共存重金属离子的吸附规律

3．5．6 水中背景阳离子对TCAS吸附树脂吸附重金属的影响

3．5．7 重金属离子的脱附及TCAS吸附树脂的回收利用

3．5．8 吸附机理探讨

第四章 总结与展望

4．1 总结

4．2 展望

参考文献

攻读学位期间发表的文章

个人简况及联系方式

致谢

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