氨基化纤维素的制备及其吸附和絮凝性能研究

摘要

目前环境问题日趋严重，水污染成为经济发展的制约因素和人们健康的威胁。针对工业废水中污染物成分复杂，水体污染物电荷多样性，造成污水处理流程复杂;所以开发一种绿色经济、制备简单和易于规模化的工艺成为研究的热点。
　　本文建立一种简单的制备工艺，以绿色纤维素为原料，聚乙烯亚胺(PEI)为功能单体，通过化学交联制备具有吸附和絮凝双功能的氨基化纤维素(cellulose-PEI)，经过对染料和高岭土优化处理，并进一步地应用在工业废水，结果如下:
　　(1)氨基化纤维素的制备、结构表征和性能研究:通过化学交联，在非均相条件下成功地制备出具有高氨基含量的cellulose-PEI材料，所得的氨基化材料氨基含量最高可调控在17.5mmol/g，通过正交实验设计，得到了最优工艺条件:纤维素/聚乙烯亚胺比例为1/1，温度为45℃，戊二醛用量为1.5g，反应时间为3h，在这个条件下成功地制备出具有高氨基含量的纤维素基双功能材料，所得的双功能材料具有17.5mmol/g的高氨基含量，说明其制备工艺简便实用，但纤维素的功能化率也得到提高。通过FTIR和XPS证明PEI的成功引入，通过SEM显示接枝后的纤维素表面形貌明显有变化，TGA检测表明该材料依然保持较高的热稳定性。
　　(2)氨基化纤维素的吸附性能研究:氨基化纤维素对阴离子型染料活性黄X-RG(XRG)、非离子型染料分散棕S-3RL(DB3)和阳离子型染料M-7G(M7G)展现了优良的吸附性能，对染料的实际吸附量更接近Langmuir理论吸附量;吸附过程遵循伪二级动力学，主要以化学单层吸附为主;在吸附过程中，引入的氨基负责通过静电吸引和氢键相互作用有效地除去染料。
　　(3)氨基化纤维素对分散染料的吸附研究:为了进一步地提高氨基化纤维素对分散染料的吸附性能，通过分散蓝ZBLN和分散黄E-3G的吸附和机理研究，发现在最优pH下，吸附量分别达到98mg/g（分散蓝）和98.1mg/g（分散黄）;同时在pH为3时，吸附后的产物尺寸达到最大，分别可达6685nm和3092nm。考察了pH对分散染料形态结构的影响，分散黄染料在酸性和碱性条件下发生破乳现象，而分散蓝只有在碱性条件发生破乳现象。染料吸附的主要机理通过动力学和红外FRIR进一步地证明，吸附的主要原理是化学吸附，主要以破乳作用和静电吸附同时作用，从而对分散染料达到去除效果。
　　(4)氨基化纤维素的絮凝性能研究:通过调控用量、絮凝时间、pH和沉降速度，以高岭土悬浮液为模型，考察氨基化纤维素的絮凝性能。探究用量影响时，氨基含量最高的絮凝效果最好，浊度最低可达到8.7NTU，此时形成的絮状物最大，尺寸为48.6μm。絮凝时间30min后都具有优良的絮凝效果;不同pH下，在整个体系中偏中性时，絮凝效果最好，氨基含量最高的双功能材料达到最优效果;通过絮凝机理的探究，絮凝主要机理是电荷中和和架桥作用。
　　(5)氨基化纤维素对企业废水的处理:通过对印染废水和机械加工废水的优化处理，展示了优良的絮凝性能;对印染废水处理时，COD值分别从490mg/L降到了65mg/L，降低了86.7％，对机械加工废水从390mg/L降到了77mg/L，降低了80.3％;对印染废水的色度也起到了很好的去除效果。
　　本文提供了一种简单的制备工艺，以绿色纤维素为原料，聚乙烯亚胺(PEI)为功能单体，通过化学交联，在非均相条件下制备氨基化纤维素(cellulose-PEI)，展现了良好的吸附和絮凝性能，并进一步地应用于企业废水。本论文的研究结果证明开发了一种简单的制备工艺，有利于规模化应用，也为将来多功能材料的发展和应用开拓了新思路和新方向。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 废水的性质及处理方法

1．1．1 物理法

1．1．2 化学法

1．1．3 生物法

1．2 吸附剂和絮凝剂的研究现状及进展

1．2．1 吸附剂

1．2．2 絮凝剂

1．3 纤维素基水净化材料

1．3．1 纤维素结构和性质简介

1．3．2 纤维素基水净化材料和应用研究

1．4 研究目的及意义

1．5 研究内容及创新性

1．5．1 研究内容

1．5．2 创新点

1．6 拟解决的关键性问题

第二章 氨基化纤维素的制备、结构表征和性能研究

2．1 引言

2．2 实验材料与仪器

2．2．1 实验材料

2．2．2 实验仪器

2．3 实验方法

2．3．1 氨基化纤维素的制备

2．3．2 氨基化纤维素的结构表征和性能研究

2．4 实验结果与讨论

2．4．1 氨基化纤维素的设计与合成

2．4．2 氨基化纤维素的形貌

2．4．3 氨基化纤维素的化学结构

2．4．4 氨基化纤维素的晶体结构

2．4．5 氨基化纤维素的热稳定性

2．4．6 氨基化纤维素的表面电荷特性

2．5 小结

第三章 氨基化纤维素的吸附性能研究

3．1 引言

3．2 实验材料与仪器

3．2．1 实验材料

3．2．2 实验仪器

3．3．2 FTIR表征

3．3．3 染料的吸附性能探究

3．3．4 动力学研究

3．3．5 等温线模型研究

3．4 结果与讨论

3．4．1 pH对吸附性能的影响

3．4．2 时间对吸附性能的影响

3．4．3 起始浓度对吸附性能的影响

3．4．4 机理研究

3．5 小结

第四章 氨基化纤维素对分散染料的吸附研究

4．1 引言

4．2 实验材料与仪器

4．2．1 实验材料

4．2．2 实验仪器

4．3 实验方法

4．3．1 标准曲线的绘制

4．3．2 pH的影响

4．3．3 结构表征

4．3．4 吸附动力学

4．4 结果与讨论

4．4．1 pH对分散染料吸附量的影响

4．4．2 pH对分散染料形态和结构的影响

4．4．3 pH对分散染料尺寸的影响

4．4．4 pH对吸光度的影响

4．4．5 表面形貌和吸光度分析

4．4．6 化学结构分析

4．4．7 动力学分析

4．5 小结

第五章 氨基化纤维素的絮凝性能研究

5．1 引言

5．2 实验材料与仪器

5．2．1 实验材料

5．2．2 实验仪器

5．3 实验方法

5．3．1 电荷特性测试

5．3．2 高岭土溶液的絮凝性能研究

5．3．3 高岭土溶液的絮凝动力学研究

5．4 结果与讨论

5．4．1 不同氨基含量的cellulose-PEI双功能材料的表面电荷

5．4．2 用量对高岭土浊度和絮凝后絮状物的影响

5．4．3 pH对高岭土浊度的影响

5．4．4 絮凝时间对高岭土浊度的影响

5．4．5 絮凝剂对高岭土溶液沉降速度的影响

5．4．6 絮凝动力学

5．4．7 机械加工废水和印染废水的絮凝研究

5．5 小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读学位期间的学术成果

致谢