磁性壳聚糖复合微球对六价铬吸附性能的研究

摘要

铬是人体和动物生长的必要元素，同时铬及其化合物也是制革行业，纺织行业，电镀行业的重要材料。但是由于利用率较低，近年来水体中铬污染较严重。铬污染对于人体、动物、植物都会造成较大的损害。　　为了解决铬污染的危害，传统处理铬的方法主要有：物理法、化学法和物理化学法。目前处理铬鞣废水中Cr最经济的方法是化学沉淀法，沉淀剂通常采用氧化镁或氢氧化钠等碱性物质。但化学沉淀法有很多弊端，一是化学沉淀时间长，通常需要两天以上，二是会产生大量高浓度含铬污泥。填埋法是处理污泥的主要方法，填埋污泥不仅会使暴露于自然环境中的 Cr(Ⅲ)加速氧化为 Cr(Ⅵ)且不能回收污泥中的铬，造成铬资源的极大浪费。因此，需要寻找一种除Cr(Ⅵ)速度快且能够回收Cr(Ⅵ)的方法。在众多方法中，吸附法以其适应性广、操作方便、易再生、对有毒物质不敏感等优点而备受关注。近年来，磁性纳米颗粒已成为各种吸附剂净化含铬废水的理想载体。一是由于吸附剂与磁性纳米颗粒结合可产生很大的比表面积，从而提高铬吸附容量，加快反应速度；二是可用外部磁铁将磁性吸附剂与处理后的废水分离，从而对铬进行回收。　　本试验将接枝 4-乙烯基吡啶的壳聚糖与磁性 Fe3O4纳米颗粒相结合，配制得到聚4-乙烯基吡啶壳聚糖磁性复合微球（VMCPs）。该磁性吸附剂具有除Cr(Ⅵ)速度快、便于与处理后的废水分离、可重复利用等优点。试验主要研究了pH、吸附时间以及初始浓度对纳米吸收剂去除废水中 Cr(Ⅵ)能力的影响，并用模型拟合得到吸附动力学、吸附等温线方程，并探讨了聚 4-乙烯基吡啶壳聚糖磁性复合微球（VMCPs）的再利用能力。研究数据表明聚 4-乙烯基吡啶壳聚糖磁性复合微球（VMCPs）去除废水中Cr(Ⅵ)效果显著。　　论文主要内容与结论如下：　　① 合成Fe3O4磁性纳米颗粒。将Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)在碱性条件下采用共沉淀法制备生成Fe3O4纳米颗粒；　　② 制备Fe3O4@SiO2纳米颗粒。利用Na2SiO3的水解，将SiO2包覆在第一步制备的Fe3O4纳米颗粒的表面制备生成Fe3O4@SiO2纳米颗粒；　　③ 制备磁性壳聚糖微球（MCPs）。利用反相乳液交联法，用戊二醛（GLA）作为交联剂，制备磁性壳聚糖微球（MCPs）；　　④ 制备聚4-乙烯基吡啶壳聚糖磁性微球（VMCPs）。将单体接枝在磁性壳聚糖微球（MCPs）上。采用自由基引发接枝共聚法利用过硫酸钾（KPS）作为引发剂，制备聚4-乙烯基吡啶壳聚糖磁性微球（VMCPs）；　　⑤ VMCPs 的表征。通过傅里叶变换红外光谱分析（FTIR）、扫描电镜分析（SEM）、热重分析（TG）、饱和磁化强度（VSM）、Zeta电位、粒径和含水率等来研究微球的官能团结构、表面形态结构以及热稳定性等特性，判断壳聚糖是否包覆磁性颗粒成功，以及4-乙烯基吡啶是否接枝成功；　　⑥ 绘制Cr(Ⅵ)的标准曲线。为了测定溶液中的Cr(Ⅵ)浓度，以便研究吸附剂对于 Cr(Ⅵ)吸附量和吸附率。本实验准备采用二苯碳酰二肼分光光度法来检测六价铬的吸附量和吸附率；　　⑦ VMCPs的应用。本实验主要研究溶液初始pH、溶液初始浓度以及吸附时间三种因素对聚合物接枝磁性壳聚糖微球吸附Cr(Ⅵ)的影响；　　⑧ VMCPs 吸附 Cr(Ⅵ)的作用机理。采用多种常见模型对吸附等温线和吸附动力学数据进行分析，用几种常用的动力学或者吸附等温线模型进行模拟，从而分析VMCPs与Cr(Ⅵ)之间的作用机理；　　⑨ VMCPs 重复使用的研究。本实验拟采用的方法与其他方法所不同的是重复利用。即通过对 Cr(Ⅵ)进行吸附-脱附循环实验，来研究 VMCPs的重复利用性能。

目录

1 绪 论

1.1研究背景

1.1.1 水资源

1.1.2 重金属污染

1.2铬污染

1.2.1 铬污染现状

1.2.2 铬污染危害

1.3含铬废水处理方法

1.3.1 物理法

1.3.2 化学法

1.3.3 物理化学法

1.4壳聚糖

1.4.1 CTS概述

1.4.2 CTS的改性

1.4.3 CTS及其衍生物应用

1.5 4-乙烯基吡啶

1.6磁性壳聚糖

1.6.1 磁性壳聚糖微球研究进展

1.6.2 磁性粒子的制备

1.7课题意义及内容

1.7.1 课题意义

1.7.2 课题内容

1.7.3 课题研究路线

2 聚4-乙烯基吡啶壳聚糖磁性复合微球的制备

2.1前言

2.2实验材料

2.2.1 实验药品

2.2.2 实验仪器

2.3制备方法

2.3.1 制备Fe3O4磁性纳米颗粒

2.3.2 制备Fe3O4@SiO2纳米颗粒

2.3.3 制备磁性壳聚糖微球（MCPs）

2.3.4 制备聚4-乙烯基吡啶壳聚糖磁性复合微球（VMCPs）

2.3.5 实验原理图

2.4 本章小结

3 聚4-乙烯基吡啶壳聚糖磁性复合微球的表征

3.1前言

3.2实验材料

3.2.1 实验药品

3.2.2 实验仪器

3.3表征办法

3.3.1 傅里叶变换红外光谱分析（FTIR）

3.3.2 热重分析（TGA）

3.3.3 扫描电子显微镜分析（SEM）

3.3.4 饱和磁化强度分析（SM）

3.3.5 Zeta电位测定

3.3.6 粒径分析

3.3.7 含水率测定

3.4表征结果与分析

3.4.1 傅里叶变换红外光谱表征结果（FTIR）

3.4.2 热重分析表征结果（TGA）

3.4.3 扫描电子显微镜分析结果（SEM）

3.4.4 饱和磁化强度分析（VSM）

3.4.5 Zeta电位

3.4.6 粒径分析

3.4.7 含水率

3.5本章小结

4 聚4-乙烯基吡啶壳聚糖磁性复合微球的应用及吸附机理研究

4.1前言

4.2实验材料

4.2.1 实验药品

4.2.2 实验仪器

4.3实验分析

4.3.3 溶液初始pH值对VMCPs吸附Cr(Ⅵ)的影响

4.3.6 VMCPs对Cr(Ⅵ)的吸附动力学的研究

4.3.7 VMCPs对Cr(Ⅵ)的吸附等温线研究

4.3.8 脱附和再生实验方法

4.4实验结果

4.4.2 溶液初始pH值对VMCPs吸附Cr(Ⅵ)的影响

4.4.4 吸附时间对VMCPs吸附Cr(Ⅵ)的影响

4.4.5 VMCPs对Cr(Ⅵ)的吸附动力学模型

4.4.6 VMCPs对Cr(Ⅵ)的吸附等温线模型

4.4.7 VMCPs的解吸再生试验

4.5本章小结

5 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

附录

A 作者在攻读学位期间公开的专利

B 作者在攻读学位期间获奖情况

C 学位论文数据集

致谢