羧甲基纤维素纤维重金属离子吸附材料的制备及应用

摘要

随着水体重金属离子污染问题的日益严峻，研究开发成本低廉且性能良好的重金属离子废水处理方法和材料迫在眉睫，其中，吸附法具备效率高、操作简便、经济等优点，现已成为废水处理行业中被广泛应用的一种物理化学方法。羧甲基纤维素（Carboxymethyl Cellulose，CMC）由于本身具有较多的吸附性羧甲基基团而对重金属离子具有一定的吸附性能，但由于其为水溶性颗粒材料，吸附重金属离子后从水相分离过程较为复杂，不利于生产实践操作。本研究以水溶性CMC的合成原理为基础，结合纤维状吸附材料的研究思路，制备出一种富含羧基且不溶于水的纤维状吸附材料—羧甲基纤维素纤维（Carboxymethylated Cellulose Fiber，CMF），探究该吸附材料对重金属离子的吸附行为及吸附机理，以期推动重金属离子吸附材料的研究与开发，促进天然纤维材料的高值化利用。本论文的主要研究成果如下： 研究溶媒法与改良水媒法制备CMF过程中各因素对纤维得率与羧基含量的影响规律，并对比两种方法制备CMF的适用性，确定优选制备方案。结果表明：改良水媒法有效减弱了碱润胀对纤维形态所造成的破坏，更适用于制备羧基含量高且纤维形态良好的CMF。在利用改良水媒法制备CMF的过程中，氯乙酸钠用量对纤维得率和纤维羧基含量的影响均最为显著，氢氧化钠用量对纤维得率的影响较为显著，醚化温度对纤维羧基含量的影响较为显著。综合考虑纤维羧基含量、得率以及制备成本等问题，确定CMF的优选制备方案为：预浸渍温度60℃，预浸渍时间2 h，醚化温度80℃，醚化时间2 h，氯乙酸钠用量12.5 g，氢氧化钠用量7.5 g，所得CMF的羧基含量为107.64 mmol/100g试样，得率为102.77%。 研究CMF对重金属离子的吸附行为，结果表明：溶液pH值是CMF吸附重金属离子过程中的重要影响因素，氢离子与重金属离子的竞争吸附作用是影响CMF吸附性能的主要原因。CMF在溶液pH值为3.0-6.0的范围内均对重金属离子有良好的吸附作用，其中，当pH值为6时，吸附效果最好。通过吸附动力学分析可知，CMF 对重金属离子的吸附是一个快速吸附的过程，在10 min内即达吸附平衡，其吸附过程符合伪二级动力学模型，主要为化学吸附；通过吸附等温线分析可知，CMF 对重金属离子的吸附过程符合Langmuir等温吸附线模型，属于单层吸附。 研究CMF的再生性能，并对其再生方案进行优化，结果表明：CMF具备良好的再生性能，其再生优化方案是首先利用盐酸中氢离子对重金属离子的竞争吸附作用解吸CMF所吸附的重金属离子，其次再通过氢氧化钠提供碱性环境恢复—COONa的存在形式，对CMF吸附性能的不良影响较小。 分析并阐明CMF对于重金属离子的吸附机理。结果表明：CMF对重金属离子的吸附主要由静电作用与络合作用所致。经羧甲基化处理后，CMF润胀性能的明显增加与结晶度的显著降低导致其对重金属离子的吸附不仅发生在纤维的表面，也发生在纤维细胞壁的内部。同时，由于纤维细胞壁内部的羧基含量高于纤维表面，从而导致纤维内部的吸附在重金属离子吸附过程中占据了主导地位。

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