氨基改性纳米Fe3O4吸附剂的制备及其对水溶液中Cr(VI)和Pb(Ⅱ)的吸附

摘要

磁性Fe3O4纳米粒子由于具有易分离、重复使用性好、表面易功能化等特点，在水处理领域具有很大的应用价值。支链聚乙烯亚胺(PEI)是反应活性高、阳离子密度大的水溶性聚合物，在水溶液中以聚阳离子的形式存在，对阴离子具有吸附和中和作用。同时，PEI分子中含有大量伯胺和仲胺，能有效螯合重金属离子。本文以磁性Fe3O4纳米粒子为核，将不同相对分子质量的PEI接枝到其表面，合成出一种成本低、吸附性能好、易分离、可重复使用且性能稳定的吸附剂。
　　本文以NaOH为沉淀剂，采用共沉淀法合成了超顺磁性纳米粒子(MNPs)，紧接着用油酸修饰纳米粒子，改善其稳定性和亲油性；然后在其表面引入高化学活性的环氧基，利用环氧基与氨基的开环反应将不同相对分子质量（600，1800和10000g·mol-1）的PEI接枝到纳米粒子表面，得到一系列氨基修饰的纳米粒子(PEI600-MNPs，PEI1800-MNPs和PEI10000-MNPs)。
　　采用FT-IR、XRD、VSM、SEM、TEM、Zeta电位仪和TGA等手段对所制备纳米粒子进行分析表征。结果表明，PEI-MNPs为具有超顺磁性、粒径约12nm的微球，具有高的饱和磁化强度(38.75emu·g-1)，在外加磁场作用下易于从溶液中分离。同时，PEI-MNPs具有高的等电点(10.41)，在碱性溶液中粒子表面带正电荷，有利于阴离子的吸附。
　　研究了氨基修饰纳米粒子对水溶液中 Cr(VI)和 Pb(II)的吸附性能。考察了溶液初始pH、离子强度、离子浓度、接触时间和粒子贮存时间对吸附过程的影响；考察了纳米粒子对天然水中Cr(VI)和Pb(II)的吸附性能；考察了PEI-MNPs的可重复使用性。结果表明，PEI10000-MNPs对Cr(VI)和Pb(II)的吸附能力最强，其次是PEI1800-MNPs，最后是PEI600-MNPs；PEI-MNPs对Cr(VI)和Pb(II)的最佳吸附pH分别约为2.0和5.0；吸附均遵循Langmuir等温吸附模型，25℃条件下吸附平衡时间分别约为30min和60min，PEI10000-MNPs对Cr(VI)和Pb(II)的最大吸附量分别为95.29mg·g-1和114.85mg·g-1；吸附均遵循准二级动力学模型；天然水中的杂质离子对 Cr(VI)和 Pb(II)的吸附过程影响不明显；PEI-MNPs在贮存40天后，吸附量下降20％左右；用0.5mol L-1NaOH作脱附液，对PEI-MNPs进行5次吸附-脱附实验后，吸附量保持最初吸附量的80%左右。

目录

声明

第一章 前言

第二章 文献综述

2.1重金属离子污染概述

2.1.1 Cr(VI)和Pb(II)污染的来源

2.1.2 Cr(VI)和Pb(II)污染的危害

2. 2含Cr(VI)和Pb(II)废水的处理工艺

2.2.1 沉淀法

2.2.2电化学法

2.2.3 膜分离法

2.2.4 离子交换法

2.2.5 吸附法

2.3 磁性纳米粒子(MNPs)的制备方法

2.3.1 物理法

2.3.2 热液法

2.3.3 溶胶-凝胶法

2.3.4 水解法

2.3.5 微乳液法

2.3.6 化学共沉淀法

2.4 MNPs的功能化

2.4.1 羟基修饰

2.4.2 羧基修饰

2.4.3 巯基修饰

2.4.4 氨基修饰

2.5 本论文研究内容及意义

第三章 实验部分

3.1.1 实验试剂

3.1.2实验仪器

3.2 氨基修饰Fe3O4纳米粒子的制备

3.2.1 油酸修饰的Fe3O4纳米粒子的制备(OA-MNPs)

3.2.2 环氧基修饰的Fe3O4纳米粒子(GPTMS-MNPs)的制备

3.2.3氨基修饰的Fe3O4纳米粒子(PEI-MNPs)的制备

3.3 测试与表征

3.3.1 傅里叶变换红外光谱

3.3.2 粉末X射线衍射

3.3.3 磁性能测试

3.3.4 SEM测试

3.3.5 TEM测试

3.3.6 Zeta电位测试

3.3.7 热失重分析

3.4 PEI-MNPs对Cr(VI)和Pb(II)的吸附性能

3.4.1 Cr(VI)和Pb(II)储存液的配制

3.4.2 Cr(VI)和Pb(II)的吸附动力学研究

3.4.3 pH对Cr(VI)和Pb(II)吸附过程的影响

3.4.4 Cr(VI)和Pb(II)吸附等温线的研究

3.4.5 离子强度对Cr(VI)和Pb(II)吸附的影响

3.4.6 PEI-MNPs贮存时间对Cr(VI)和Pb(II)吸附过程的影响

3.4.7 PEI-MNPs对天然水中Cr(VI)的吸附性能研究

3.4.8 吸附剂可重复使用性的测试

第四章 结果与讨论

4.1 PEI-MNPs的制备与表征

4.1.1 PEI-MNPs的制备过程

4.1.2 FT-IR谱图分析

4.1.3 XRD谱图分析

4.1.4 磁性能分析

4.1.5 形貌分析

4.1.6 Zeta电位分析

4.1.7热失重分析

4.2 PEI-MNPs对水溶液中Cr(VI)的吸附研究

4.2.1 Cr(VI)的吸附动力学研究

4.2.2 pH对Cr(VI)吸附过程的影响

4.2.3 Cr(VI)吸附等温线的研究

4.2.4 离子强度对Cr(VI)吸附的影响

4.3 PEI-MNPs对水溶液中Pb(II)的吸附研究

4.3.1 Pb(II)的吸附动力学研究

4.3.2 pH对Pb(II)吸附过程的影响

4.3.3 Pb(II)吸附等温线的研究

4.3.4 离子强度对Pb(II)吸附的影响

4.4 PEI-MNPs贮存时间对Cr(VI)和Pb(II)吸附过程的影响

4.5 PEI-MNPs对天然水中Cr(VI)的吸附性能研究

4.6 吸附剂可重复使用性的测试

第五章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢