新型螯合基团修饰的介孔分子筛材料的硼脱除性能研究

摘要

随着淡水资源的日益紧缺，人们对安全饮用水、灌溉水和工业用水需求的不断增加，通过淡化海水或处理高含盐废水甚至受污染的地表水来获得清洁水源已经逐渐成为一种趋势。而这其中的脱硼问题却一直困扰着科研人员。另一方面，工农业生产和人们日常生活产生的含硼废水大量排放造成的环境问题也日益突出。因此，掌握一种安全可靠且合理高效的脱硼技术至关重要。 本文合成了两类新型螯合基团修饰的无机介孔分子筛材料（CL-MCM-41、NCL-MCM-41、CL-SBA-15和NCL-SBA-15）作为硼吸附剂，研究了吸附时间、硼酸初始浓度、温度和pH等参数对这些材料硼吸附性能的影响。实验表明新型螯合吸附剂的硼吸附性能优于商用的硼特效吸附剂IRA743以及同种螯合基团修饰的树脂材料；当pH为9、硼酸初始浓度为0.5M时，CL-MCM-41的硼吸附量可达52.1mg/g，NCL-MCM-41的硼吸附量则高达82.0mg/g。本文以CL-MCM-41为主要研究对象，探索了三种不同的合成方案，通过XRD、TEM、EA、BET等表征手段，证实了已成功将邻苯二酚类螯合基团接枝上了介孔分子筛材料。硼吸附实验研究发现吸附剂的吸附平衡时间为5h，硼酸初始浓度增加吸附剂的吸附量也增加，且低温和碱性的溶液条件有利于提升吸附剂的吸附效果。对CL-MCM-41的吸附动力学和等温线结果进行模拟以及热力学计算研究表明，该材料的吸附过程更符合准二级吸附动力学模型和Langmuir吸附等温线模型，是一个放热的自发过程。吸附—脱附再生实验表明CL-MCM-41可以在温和的条件下（15%的乙酸溶液）实现循环再生。最后，通过几种吸附剂吸附性能的对比发现对于同类功能基团修饰的吸附剂材料，侧链基团的溶液导电性增加值Δ越大对应吸附剂材料的吸附性能越好；邻苯二酚类侧链修饰的吸附剂比葡甲胺类侧链修饰的材料吸附性能好。 总而言之，本实验合成的新型螯合硼吸附剂材料具有吸附效果优良、水热稳定性较好，再生能力良好，其应用前景广阔。

目录

声明

第1章 文献综述

1.1 硼元素概述

1.1.1 硼元素的简介及其重要性

1.1.2 溶液中硼的化学形式

1.1.3 高浓度硼溶液的危害以及农用、饮用水的硼含量标准

1.1.4 与硼相关的问题

1.2脱硼技术的简介

1.2.1 化学沉淀法

1.2.2 液液萃取法

1.2.3 电渗析法

1.2.4 反渗透膜法

1.2.5 吸附离子交换法

1.2.6 复合方法

1.3 吸附离子交换法除硼技术的进展

1.3.1 聚合物材料

1.3.2 活性炭材料

1.3.3 无机和矿物材料

1.4 本课题简介

1.4.1 本课题的研究意义

1.4.2 本课题的研究内容及目标

第2章 实验材料及方法

2.1 实验材料与仪器

2.2 有机-无机吸附复合材料的合成

2.2.1 无机介孔分子筛的合成

2.2.2 邻苯二酚类螯合基团侧链的改造

2.2.3 将螯合基团嫁接于介孔分子筛材料

2.3 有机-无机吸附复合材料的表征

2.3.1 粉末X射线衍射

2.3.2 元素分析

2.3.3 液体核磁共振

2.3.4 场发射扫描电子显微镜

2.3.5 场发射透射电子显微镜

2.3.6 热重分析

2.3.7 比表面积与孔径分析

2.3.8 傅里叶变换红外光谱

2.3.9 电感耦合等离子体原子发射光谱

2.4 吸附实验

2.4.1 吸附能力研究

2.4.2 再生能力研究

第3章 新型螯合分子筛材料CL-MCM-41合成路线及硼酸吸附性能研究

3.1 合成路线的探索

3.1.1 合成方案一的探索

3.1.2 合成方案二的探索

3.1.3 合成方案三的探索

3.2 新型螯合吸附剂材料的吸附实验研究

3.2.1 新型螯合吸附剂材料的吸附动力学研究

3.2.2 新型螯合吸附剂材料的吸附热力学研究

3.2.3 pH对吸附过程的影响

3.3 新型螯合吸附剂材料的再生性能研究

3.4 本章小结

第4章 其它新型螯合吸附剂材料的合成及其硼吸附性能对比

4.1 其他新型螯合吸附剂的合成及表征

4.1.1 改造后带硝基官能团的邻苯二酚类化合物NCL的表征

4.1.2介孔分子筛材料SBA-15的表征

4.1.3 其他新型螯合吸附剂材料的表征

4.2 新型螯合吸附剂的吸附性能对比

4.2.1 MCM-41类吸附材料的吸附性能对比

4.2.2 SBA-15类吸附材料吸附性能对比

4.3 侧链基团和分子筛类型对硼吸附的影响

4.4 本章小结

第5章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢