新型磁性壳聚糖吸附剂的制备及其吸附行为与机理研究

摘要

本文以天然高分子壳聚糖为基材，通过原位共沉淀法制备具有特殊结构天然生物质基凝胶类聚合物环境功能材料，并对其进行充分的理化性质表征。以工业废水中重金属及染料为目标污染物，开展了一系列污染物去除批实验对其进行性能考察、吸附条件优化、吸附行为及吸附动力学模型构建等方面的应用研究，为天然生物质磁性材料在水处理中的应用提供理论和技术支撑。论文主要结论如下:
　　1)采用原位共沉淀法制得多孔磁性壳聚糖凝胶微球，并采用LEXT、SEM、TEM、EDS、FT-IR、VSM等手段对其理化性质进行充分表征，结果证明该磁性凝胶微球内部具有规则的多孔多层类蜂巢结构，交联剂柠檬酸钠提高了壳聚糖吸附材料耐酸性，壳聚糖活性官能团未受Fe3O4引入影响，吸附剂主要活性官能团为-NH3、-OH、-COOH等。直径5±2nm的Fe3O4颗粒均匀分布其中，吸附剂良好的超顺磁性良好，饱和磁感应强度为11.3emu/g。
　　2)采用磁性壳聚糖凝胶微球对Pb2+进行吸附研究，探讨吸附条件（pH值、初始浓度、接触时间）对吸附量的影响，通过动力学分析和等温线拟合研究其吸附性能，结果表明:磁性壳聚糖凝胶微球在pH6时吸附效果最佳，吸附作用在3h内达到平衡，吸附量随溶液初始浓度增加而增大，但溶液中吸附质去除率随之降低，吸附剂经0.01M的Na2EDTA溶液洗脱后，5次循环实验吸附效率降低20％以内。磁性壳聚糖凝胶微球对Pb2+吸附XPS结果证明在-NH3吸附过程中其主要作用，吸附批实验数据符合拟二级动力学模型与Langmuir等温线，表明该吸附过程主要为单层化学吸附，吸附速率受化学反应速率控制，其吸附剂饱和吸附量为84.02mg/g。
　　3)原位共沉淀方法的基础上进一步改进制得纳米磁性壳聚糖流体，利用SEM、TEM、BET、FT-IR、VSM等技术对其理化性质进行表征分析，结果表明该磁性流体在溶液中分散性稳定性良好，结构疏松，比表面积约274.7m2/g。采用优化原位共沉淀法制得磁性流体中Fe3O4晶型良好，为立方尖晶石结构，且材料悬浮性及壳聚糖官能团未受影响，活性基团主要为-NH3、-OH等。Fe3O4颗粒均匀分散在壳聚糖复合材料中，粒径为17.8±0.3nm，壳聚糖流体超顺磁性良好，饱和磁感应强度为25emu/g。
　　4)以该纳米磁性壳聚糖流体为吸附剂对Pb2+进行吸附批实验，考察不同吸附条件（pH值、初始浓度、接触时间）对吸附作用影响，通过动力学和等温线分析阐述吸附机理。结果表明:纳米磁性壳聚糖流体在pH6时吸附效果最佳，吸附作用在1h内达到平衡较磁性壳聚糖凝胶微球减少2/3，吸附量随初始浓度增加而增大，但增加速率逐渐减慢，吸附剂经0.01M的Na2EDTA溶液洗脱后，5次循环实验吸附效率降低20％以内。吸附过程符合拟二级动力学模型与Langmuir等温线，表明该纳米磁性壳聚糖流体对Pb2+的吸附行为主要依靠单层化学吸附，吸附速率受Pb2+与吸附剂活性官能团间化学反应键合速率控制，饱和吸附量为113.38mg/g。
　　5)以该纳米磁性壳聚糖流体为吸附剂对染料刚果红进行吸附批实验，探究不同实验条件（pH值、初始浓度、接触时间）对吸附作用的影响，通过动力学及等温线模型描述纳米磁性壳聚糖流体对染料的吸附行为及吸附机理。结果表明:纳米磁性壳聚糖流体对刚果红的吸附性能对环境pH敏感性低，在pH7-10之间平衡吸附量仅有微弱波动。吸附作用在5min内达到饱和，且吸附速率变化不受初始浓度影响。吸附剂吸附量随初始浓度升高而降低，刚果红去除率随之降低。经1.25M的NaOH溶液再生后5次循环实验吸附容量降低10％以内。磁性流体对染料吸附过程符合拟二级动力学方程及Langmuir吸附等温模型，表明该吸附主要为单分子层形式的化学吸附，饱和吸附量为1724mg/g.

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 重金属及染料废水来源及特征

1．1．2 重金属及染料污染去除方法

1．2 壳聚糖及其衍生物研究进展

1．2．1 壳聚糖

1．2．2 壳聚糖衍生物改性方法研究进展

1．2．3 基于壳聚糖的吸附剂研究进展

1．2．4 磁性壳聚糖吸附剂

1．2．5 磁性壳聚糖材料在废水处理领域的应用

1．3 研究意义与目的

1．3．1 研究意义

1．3．2 研究目的

1．4 研究内容与技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究技术路线

1．5 创新点

第2章 磁性壳聚糖凝胶微球的制备及其吸附性能研究

2．1 实验试剂与仪器

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 实验部分

2．2．1 磁性壳聚糖凝胶微球的制备

2．2．2 测试表征方法

2．2．3 Pb2+吸附实验方法

2．2．4 磁性壳聚糖凝胶微球循环再生实验

2．2．5 数据处理

2．3 结果与讨论

2．3．1 表征结果

2．3．2 Pb2+静态吸附批实验研究

2．3．3 磁性壳聚糖凝胶微球对Pb2+吸附行为及机制研究

2．3．4 磁性壳聚糖凝胶微球循环再生研究

2．3．5 磁性壳聚糖凝胶微球形成及吸附机理研究

2．4 本章小结

第3章 纳米磁性壳聚糖微球(磁流体)的制备及其吸附性能研究

3．1 实验试剂与仪器

3．1．1 实验试剂

3．1．2 实验仪器

3．2 实验部分

3．2．1 纳米磁性壳聚糖微球(磁流体)的制备

3．2．2 测试表征方法

3．2．3 Pb2+吸附实验方法

3．2．4 磁流体循环再生实验

3．3 结果与讨论

3．3．1 磁流体测试表征结果

3．3．2 Pb2+静态吸附实验研究

3．3．3 磁流体对Pb2+吸附行为及机制研究

3．3．4 磁流体循环再生研究

3．3．5 磁流体形成及吸附机理研究

3．4 本章小结

第4章 壳聚糖磁流体处理染料废水的吸附行为研究

4．1 实验试剂与仪器

4．1．1 实验试剂

4．1．2 实验仪器

4．2 实验部分

4．2．1 磁流体对刚果红吸附实验方法

4．2．2 磁流体循环再生实验

4．3 结果与讨论

4．3．1 刚果红静态吸附实验研究

4．3．2 磁流体对刚果红吸附行为及机制研究

4．3．3 磁流体循环再生研究

4．3．4 磁流体吸附机理研究

4．4 本章小结

1 主要结论

2 建议与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得成果