Fe3+/N-(2-羟乙基)乙二胺阳离子复合淀粉微球的制备及性能研究

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随着工业的飞速发展,大量含有阴离子污染物的废水被排入河流及地下水中,造成严重的水体污染。这些污染物具有致癌、致畸、致突变作用,严重危害人类健康。目前,去除水中阴离子污染物的方法有:吸附法、化学还原法、离子交换法、混凝法、生物膜法。其中,化学还原法易造成二次污染,离子交换法成本较高,混凝法技术还未成熟,生物膜法所用的膜寿命有限。而吸附法因其成本低、操作简便等优点被广泛运用,但去除效果不理想。因此,研究有效去除废水中阴离子污染物的方法具有重大而迫切的意义。本论文采用自由基聚合反应将含有-NH2的N-(2-羟乙基)乙二胺(AEEA)接枝在可溶性淀粉的淀粉分子链上,再通过可溶性淀粉/AEEA接枝共聚物上的-NH2与Fe3+形成稳定五元环螯合物的配位作用,将带正电的Fe3+引入到淀粉微球中,制备Fe3+/N-(2-羟乙基)乙二胺阳离子复合淀粉微球(CSM),利用CSM与阴离子污染物之间的电性引力作用提高其对水中阴离子型污染物去除率。论文主要工作有以下方面:(1)Fe3+/N-(2-羟乙基)乙二胺阳离子复合淀粉微球的合成与表征以可溶性淀粉(St)、FeCl3·6H2O、N-(2-羟乙基)乙二胺(AEEA)为原料,N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)为交联剂,K2S2O8/NaHSO3为复合引发剂,Span-80与Tween-20为乳化剂,选择液体石蜡作为油相分散剂,运用反相乳液聚合的方法,制备Fe3+/N-(2-羟乙基)乙二胺阳离子复合淀粉微球。通过一系列的单因素实验、响应曲面设计等方式,对CSM的制备工艺实施优化。利用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射分析仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)以及热失重仪(TGA)等对优化条件下制备的CSM进行结构表征和性能分析。结果显示,CSM的较优合成条件为:淀粉为1.5 g,AEEA为3.4665 g,FeCl3·6H2O为5 g,K2S2O8/NaHSO3为0.8g,交联剂MBAA为0.5g,复合乳化剂2.0g,反应温度为60℃。CSM符合预期设想的结构,形状规整,表面具有一定的粗糙度,热稳定性良好,能够作为一种性能优良的阴离子吸附剂应用于实际生产。(2)CSM对无机阴离子Cr(Ⅵ)和NO3-吸附工艺的优化及吸附机理的研究考察了接触时间、初始Cr(Ⅵ)和NO3-浓度、pH和吸附剂用量等因素对吸附性能的影响。结果表明,在温度为298.15K,初始浓度为100 mg/L,pH为6,接触时间为180 min时,CSM对Cr(Ⅵ)的理论最大吸附量为137.38 mg/g;在温度为298.15 K,初始浓度为50mg/L,pH为4,接触时间为180 min时,CSM对NO3-的理论最大吸附量为138.58mg/g。将实验数据通过吸附动力学模型和等温线模型进行拟合,对CSM吸附Cr(Ⅵ)和NO3-的吸附机理进行分析探讨,结果表明,准二阶模型能更好地解释Cr(Ⅵ)和NO3-的吸附过程。Langmuir模型和Freundlich模型分析显示,CSM对Cr(Ⅵ)和NO3-两种无机阴离子的吸附过程是接近单层吸附的。CSM对Cr(Ⅵ)和NO3-吸附时的主要限速步骤为化学吸附,其他因素共同作用。化学吸附主要通过CSM上所带Fe3+正电荷与阴离子发生静电吸附。(3)CSM对有机阴离子染料氨基黑10B(AB10B)和酸性绿25(AG25)吸附工艺的优化及吸附机理的研究考察了接触时间、初始氨基黑10B和酸性绿25的初始浓度、pH、吸附剂用量等因素对吸附性能的影响。结果表明,AB10B在温度为298.15 K,初始浓度为200mg/L,pH为2,接触时间为150min时,CSM对AB10B的理论最大吸附量为703.49 mg/g;AG25在温度为298.15 K,初始浓度为200 mg/L,pH为1,接触时间为180 min时,CSM对AG25的理论最大吸附量为225.39 mg/g。通过吸附动力学模型和等温线模型对实验数据进行拟合,对CSM吸附AB10B和AG25的吸附机理进行分析探讨得出结论,准二阶模型能更好地解释AB10B和AG25的吸附过程,而在Langmuir模型和Freundlich模型分析中显示,CSM对AB10B和AG25的吸附是多层分子吸附,CSM表面携带的阳离子与阴离子发生静电吸引作用形成离子键,对AB10B和AG25吸附时的主要限速步骤为化学吸附。化学吸附即通过CSM上所带Fe3+正电荷与阴离子发生静电吸附,还能够通过染料分子中所带基团与CSM表面Fe3+发生配位反应,从而达到更好地吸附效果。
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