磁性β-环糊精聚合物材料制备及其在印染废水处理上应用研究

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近年来,我国印染废水占工业废水的比重越来越大,印染废水造成的污染也越来越不容忽视。印染废水的水质波动大,污染物成分复杂,是处理难度较大的工业废水之一,尤其是有机物和重金属造成的复合污染问题,更是亟待解决的难题。仅凭借常规的处理工艺难以将印染废水处理完全,需要结合深度处理工艺对废水进行处理。吸附法凭借其便捷的操作和良好的处理效果,成为应用较多的深度处理工艺之一,但活性炭等传统吸附剂在重复再生时需要大量能量,使用成本较高,限制了其应用范围。β-环糊精作为一种环状低聚糖,来源广泛,价廉易得,其特殊的“外亲水、内疏水”结构使其对很多污染物都有良好的吸附效果,也因此受到很多研究学者的青睐。而目前报道的β-环糊精聚合物材料对于染料、重金属等污染物的吸附速率较慢,且鲜见可同时快速吸附有机物和重金属离子的多功能吸附剂。基于此背景,本研究制备了一种经济高效且操作简便的磁性β-环糊精吸附剂,该吸附剂可以快速吸附溶液中的有机物和重金属离子,同时在外加磁场的条件下可以快速从溶液中沉降下来,操作过程简单快捷。主要研究内容和结论如下:(1)制备了磁性β-环糊精聚合物(MNP-CM-CDP)。合成了具有良好吸附性能的β-环糊精聚合物(T-E-CDP),使用氯乙酸对其进行改性,在β-环糊精聚合物表面引入羧基,得到可以吸附重金属离子的羧甲基β-环糊精聚合物。使用共沉淀法合成四氧化三铁,并在合成的过程中将羧甲基β-环糊精聚合物包裹至四氧化三铁表面,成功制备可以同时吸附有机物和重金属子的磁性β-环糊精聚合物(MNP-CM-CDP)。该吸附剂颗粒呈球形且分布均匀,表面包裹的羧甲基β-环糊精聚合物的量占总体质量的20.373%,磁性良好,在外加磁场条件下可以从溶液中快速沉降。(2)研究了 MNP-CM-CDP对双酚A、碱性橙2、罗丹明B、亚甲基蓝四种有机污染物的吸附性能,并对吸附机理进行了探讨。结果表明,MNP-CM-CDP可以快速吸附四种目标污染物,特别是对碱性橙2,在吸附10s时可以达到平衡吸附容量的84%,吸附2 min左右时即达到吸附平衡。进一步研究发现,MNP-CM-CDP与目标污染物间的氢键作用和静电作用是吸附行为发生的主要机制,氢键作用和静电作用越强,吸附速度越快,吸附容量也越高。整个吸附过程符合准二级动力学模型,化学吸附主导吸附的发生。腐殖酸和无机盐对MNP-CM-CDP的吸附性能没有明显影响,MNP-CM-CDP的抗污染能力较强,且重复再生后吸附性能良好。(3)研究了 MNP-CM-CDP 对 Cr(Ⅲ),Pb(Ⅱ),Zn(Ⅱ),Cu(Ⅱ),Cd(Ⅱ)五种金属离子的吸附性能及吸附机理。结果表明,MNP-CM-CDP可快速吸附五种重金属离子,尤其是Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ),在吸附进行10s时,可以达到二者平衡吸附容量的70%以上,在吸附进行1min时就可达到最大吸附容量的92%以上。吸附为化学吸附主导的单层吸附。吸附主要依靠吸附剂表面电离后带负电的羧基与重金属离子间的络合进行,离子之间的相互作用也会对吸附产生影响,因此pH对MNP-CM-CDP的吸附过程影响明显,当pH值低于等电点时,MNP-CM-CDP上的羧基被质子化,电荷密度低,表现为对重金属离子的吸附容量下降,当pH值高于等电点时,羧基逐渐发生电离,吸附容量逐渐上升。MNP-CM-CDP的吸附性能受无机盐影响不明显,且具备良好的重复再生性能。(4)探究了在一元、二元、三元体系中,MNP-CM-CDP对BPA、MB及Cu(Ⅱ)的吸附情况,以及在添加了目标污染物的实际污水体系中,MNP-CM-CDP对三者的去除情况。研究发现,MNP-CM-CDP对BPA的吸附位点与对MB和Cu(Ⅱ)的吸附位点相互独立,吸附剂对BPA的吸附容量不受MB及Cu(Ⅱ)存在的影响。MNP-CM-CDP对MB和Cu(Ⅱ)的吸附存在相同的吸附位点,二者之间存在竞争吸附。MNP-CM-CDP抗污染能力较强,吸附性能受实际污水复杂水质的影响较小,对添加了 BPA、MB及Cu(Ⅱ)的模拟印染废水处理效果较好,表现出良好的抗污染能力和稳定性,是一种有效的深度处理方式。
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