聚乙烯薄膜辐射接枝功能化及对重金属离子吸附性能研究

摘要

离子螯合膜是一类能与金属离子形成配位络合物的吸附功能材料，是近年来发展起来的一种新型离子交换膜。螯合功能基团中存在着具有未成键孤对电子的N、O、S、P等原子，这些原子能以一对孤对电子与金属离子形成配位键，形成稳定的螯合物，因此，螯合膜材料比通常的离子交换膜具有更专一的选择性，使其与金属离子的结合力更强，选择性更高。 本文选择高密度聚乙烯(High Density Polyethylene，HDPE)薄膜作为基材，通过加速器电子束引发预辐射接枝的方法，在HDPE薄膜上接枝高沸点、低毒性的甲基丙烯酸缩水甘油酯(Glycidyl methacrylate，GMA)，然后接枝膜与二甲胺[NH(CH<,3>)<,2>]等胺类试剂反应，引入螯合基团叔胺基。详细研究了溶剂类型、单体浓度、反应温度和时间、吸收剂量以及膜储存时间和温度等因素对接枝率的影响规律，从而确定接枝反应最佳条件。探索接枝条件对接枝膜结构和性能的影响规律。 红外光谱(FT-IR)分析结果表明：谱图在1732cm<'-1>出现了明显的C=O吸收峰，在902cm<'-1>处为环氧基团的吸收峰，证明HDPE膜表面已接枝了GMA；接枝膜氨化后的红外光谱表明，在902cm<'-1>处环氧基团的吸收峰消失，在1037cm<'-1>处出现了新的吸收峰，该处为C-N伸缩振动峰，并且在3370cm<'-1>较宽区域内出现了-OH的吸收峰，表明环氧基团已转化成叔胺基团。 用差示扫描量热仪(DSC)、热重分析(TG)测定了接枝共聚物的热性能，由于受接枝侧链的影响，HDPE接枝膜表现出不同的热性能。 用电子拉力机来测试膜的拉伸性能，研究发现，当辐射剂量小于150kGy时，膜的拉伸强度和断裂伸长率随着吸收剂量的增大而增大，当辐射剂量从150kGy增大到300kGy时，膜的力学性能变差；HDPE-g-GMA接枝膜的拉伸强度和断裂伸长率随着接枝率的增大而减小；氨化前后，膜的拉伸强度和断裂伸长率基本不变。 用原子力显微镜(AFM)来观察接枝膜的表面形貌。接枝后的HDPE膜表面粗糙度增加，有明显的隆起物，并且排列比较整齐，起伏比较均匀。详细研究了实验所制备的离子螯合膜对水溶液中Cr<'3+>、Cu<'2+>、Cd<'2+>等离子的吸附性能。具体考察接枝率大小，金属离子类型，金属离子起始浓度，溶液pH值，吸附时间及温度等因素对吸附性能的影响，深入探讨了螯合膜吸附重金属离子的吸附动力学和热力学，并建立了吸附模型。膜接枝率为180％时，该螯合膜对Cr<'3+>、Cu<'2+>、Cd<'2+>的饱和吸附量分别达到2.96mmol·g<'-1>、1.71mmol·g<'-1>、0.95mmol·g<'-1>干膜，表明所制备的膜对考察的金属离子具有良好的吸附性能；被螯合膜吸附的重金属离子在一定的酸度下很容易解吸附，所以此种螯合膜可以循环多次使用，且保持较强的螯合能力。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题来源

1.2课题研究的目的和意义

1.3重金属离子的去除方法

1.3.1活性炭吸附

1.3.2化学沉淀法

1.3.3离子交换树脂法

1.3.4离子螯合膜的螯合吸附

1.4螯合膜

1.4.1螯合膜的种类

1.4.2离子螯合膜的吸附机理

1.4.3离子螯合膜的制备方法

1.5辐射接枝共聚

1.5.1定义和特点

1.5.2辐射接枝技术的分类

1.6辐射接枝法制备胺基螯合膜的研究现状

1.6.1聚合物辐射接枝丙烯腈(AN)的研究

1.6.2聚合物辐射接枝乙烯基吡啶单体的研究

1.6.3聚合物辐射接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)的研究

1.7离子螯合膜的应用

1.7.1水处理及净化

1.7.2稀有和贵金属的提取

1.7.3在分析测试方面的应用

1.7.4生物物质的吸附分离

1.7.5其他应用

1.8论文主要研究内容

第二章实验部分

2.1实验方法和原料的的选定

2.2实验原料和仪器

2.2.1实验原料

2.2.2实验仪器

2.3离子螯合膜的制备

2.3.1 HDPE辐射接枝GMA

2.3.2氨化反应

2.4结构表征和性能测试

2.4.1红外光谱分析

2.4.2 DSC和TG分析

2.4.3接枝膜的力学性能测试

2.4.4原子力显微镜分析

第三章HDPE预辐照接枝GMA的结果与讨论

3.1反应条件对接枝率的影响

3.1.1溶剂类型对接枝率的影响

3.1.2预辐照剂量的影响

3.1.3 GMA单体浓度的影响

3.1.4不同温度下反应时间对接枝率的影响

3.1.5不同剂量下反应时间对接枝率的影响

3.1.6 HDPE膜辐照后储存时间对接枝率的影响

3.1.7辐照后膜储存温度的影响

3.1.8单体混合溶液多次使用对接枝率的影响

3.2 HDPE接枝膜的红外分析

3.2.1 HDPE膜和不同接枝率的HDPE-g-GMA红外光谱(FTIR)分析

3.2.2 HDPE-g-GMA接枝膜和氨化后的红外光谱(FTIR)分析

3.3 HDPE接枝膜的DSC分析

3.3.1不同接枝率的HDPE接枝膜的DSC分析

3.3.2接枝膜氨化前后的DSC分析

3.4 HDPE接枝膜的TG分析

3.5接枝膜的力学性能分析

3.5.1辐射剂量对膜力学性能的影响

3.5.2接枝率对膜力学性能的影响

3.5.3接枝膜氨化前后的力学性能比较

3.6接枝膜的AFM图象

3.7接枝膜的氨化

第四章螯合膜吸附重金属离子的性能研究

4.1前言

4.2吸附机理

4.2.1物理吸附

4.2.2化学吸附

4.3吸附模型

4.4饱和吸附量和吸附率的测定

4.5影响因子实验

4.5.1溶液起始浓度对吸附的影响

4.5.2溶液pH对吸附的影响

4.5.3吸附时间对吸附的影响

4.5.4温度对吸附的影响

4.5.5膜接枝率对吸附的影响

4.6结果与讨论

4.6.1 pH值对吸附金属离子的影响

4.6.2温度对吸附的影响

4.6.3膜接枝率对吸附的影响

4.6.4起始浓度对吸附的影响

4.6.5吸附等温线

4.6.6吸附动力学研究

4.7螯合膜的再生

第五章结论和展望

5.1本文结论

5.2展望

参考文献

作者在攻读学位期间公开发表的论文

致谢