粉煤灰@壳聚糖磁性铜离子吸附剂的制备及性质研究

摘要

实现粉煤灰等工业废弃物的深度、高附加值资源化利用对于我国消除环境污染、缓解资源短缺，实现社会可持续发展具有重要意义。粉煤灰中包含的磁性微珠，由于铁含量高、磁性强、孔隙丰富等特点，在廉价磁种、磁性吸附剂等方面具有重要应用潜力。其中，利用粉煤灰磁珠处理重金属污水是重要的研究热点之一。吸附法是最常用的重金属污水处理方法之一，但其目前采用的吸附剂一般颗粒微细、悬浮性好，因此很难实现固液分离，成为制约吸附法推广应用的因素之一。如果将磁分离技术引入重金属污水处理过程，则可借助磁场力作用解决吸附剂难分离的问题。但目前的磁性吸附剂多利用化学合成的纳米磁种作为磁核，成本高、环境负荷重、使用保管要求高。如果以粉煤灰磁珠为磁核合成磁性吸附剂，不但可满足磁分离的要求，而且又可降低药剂成本。鉴于此，本论文选取精选加工后的粉煤灰磁珠作为磁核，以壳聚糖作为重金属离子吸附剂，合成磁珠@壳聚糖磁性吸附剂，并用于低浓度含铜废水的吸附处理。具体研究工作如下:
　　采用磁选管对粉煤灰进行分步磁选，获得强磁性粉煤灰磁珠，然后对磁珠进行球磨分级，获得更细粒径的粉煤灰磁珠颗粒。以粉煤灰磁珠颗粒为磁核，分别采用沉淀法、碳二亚胺缩合法和反相微乳液法制得不同微观结构的磁珠@壳聚糖复合微球吸附剂。并利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、振动样品磁强计(VSM)等对该吸附剂材料的形貌、元素组成、官能团组成、物相成分以及磁学性能等进行表征，通过紫外可见分光光度法绘制了铜离子标准曲线，并对磁珠@壳聚糖吸附剂的吸附性能进行了测试。
　　1.通过沉淀法可以制备磁珠@CS凝胶球，粒径大小介于500-800μm之间。XRD研究表明掺入的凝胶球同时具有磁珠和壳聚糖的衍射峰，说明壳聚糖与磁珠成功复合;VSM表征表明其磁性较原磁珠差，饱和磁化强度只有2.02emu/g，说明凝胶球中磁珠所占比例很少。Cu2+离子吸附研究表明，其水凝胶对模拟含铜废水中的Cu2+离子表现良好的吸附和脱色效果，吸附量可达4.5mg/g以上，吸附后凝胶变为蓝色。通过对其吸附等温模型进行试验研究，发现其对Cu2+离子吸附试验与Freundlich吸附模型有较好的符合性。
　　2.通过碳二亚胺缩合法可制备磁珠@CMCS磁性复合材料。该法制得的磁珠@CMCS具有较均匀的粒径分布，平均直径10μm左右。VSM表征表明所得样品具有较强磁性，可达20.09 emu/g。通过对制备样品的Cu2+离子吸附性能进行研究，发现其对低浓度铜离子的吸附容量为10.33mg/g。
　　3.利用反相微乳液法，通过分步包覆制备了磁珠@SiO2@CS复合微球。FTIR分析表明，SiO2包覆在了磁珠的外面形成了壳核结构，从而使其更易与CS结合。EDS结果表明，磁珠较均匀的分布在壳聚糖基体中。VSM检测表明，磁珠的掺杂量约为32％。Cu2+离子吸附表明，该吸附剂对较低浓度含铜废水表现出很好的吸附效果，其对10mg/L和20mg/L的Cu2+离子废水的吸附量分别为8.63mg/g和11.08mg/g。
　　通过对三种磁珠@壳聚糖吸附剂的吸附动力学模型进行研究，发现三者均与准二级动力学模型具有良好的线性拟合关系，说明吸附主要以CS对Cu2+的化学吸附为主。进一步的通过对其吸附等温线进行拟合发现，沉淀法以Freundlich吸附模型为主，而其余二者与Langmuir吸附等温模型相符。对三者的最佳吸附pH范围进行了研究，发现其最佳pH值范围为5～5.5，过酸则对电离吸附有抑制作用，而相对碱性条件下，铜离子则直接发生沉淀作用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 粉煤灰磁珠及其综合利用

1．1．1 粉煤灰概述及应用

1．1．2 粉煤灰磁珠概述及应用

1．2 含铜废水及其处理技术

1．2．1 含铜废水的一般处理工艺

1．2．2 处理含铜废水的吸附剂

1．3 壳聚糖的铜吸附应用

1．3．1 壳聚糖在水处理中的研究

1．3．2 磁性壳聚糖的研究进展

1．4 本课题的选题依据及研究内容

1．4．1 选题依据

1．4．2 研究内容

第2章 磁珠@CS凝胶球的制备及铜吸附研究

2．1 引言

2．2 实验与表征

2．2．1 原料与试剂

2．2．2 仪器与设备

2．2．3 磁珠@CS凝胶球(MCB)的制备

2．2．4 表征方法

2．3 磁珠@CS凝胶球的结构表征及反应机理

2．3．1 磁珠@CS凝胶球分析与表征

2．3．2 磁珠@CS凝胶球合成机理探讨

2．4 磁珠@CS凝胶球的Cu2+吸附研究

2．4．1 铜离子标准曲线的测定

2．4．2 吸附容量测定

2．4．3 吸附动力学测定

2．4．4 吸附等温线测定

2．4．5 pH值对Cu2+吸附量的影响

2．4．6 铜离子吸附机理分析

2．5 本章小结

3．1 引言

3．2 实验与表征

3．2．1 原料与试剂

3．2．2 仪器与设备

3．2．3 磁珠@CMCS的制备

3．2．4 表征方法

3．3 磁珠@CMCS微球的结构表征及反应机理

3．3．1 磁珠@CMCS微球分析与表征

3．3．2 磁珠@CMCS微球制备反应机理探讨

3．4 磁珠@CMCS的Cu2+吸附研究

3．4．1 吸附容量测定

3．4．2 吸附动力学测定

3．4．3 吸附等温线测定

3．4．4 pH值对Cu2+吸附量的影响

3．4．5 铜离子吸附机理分析

3．5 本章小结

第4章 磁珠@SiO2@CS微球的制备及铜吸附研究

4．1 引言

4．2 实验与表征

4．2．1 原料与试剂

4．2．2 仪器与设备

4．2．3 磁珠@SiO2@CS微球的制备

4．2．4 表征方法

4．3 磁珠@SiO2@CS微球的结构表征及反应机理

4．3．1 磁珠@SiO2@CS微球的分析与表征

4．3．2 磁珠@SiO2@CS微球制备反应机理探讨

4．4 磁珠@SiO2@CS微球的铜离子吸附研究

4．4．1 吸附容量测定

4．4．2 吸附动力学测定

4．4．3 吸附等温线测定

4．4．4 pH值对Cu2+吸附量的影响

4．4．5 铜离子吸附机理分析

4．5 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果