论文部分内容阅读
随着我国工业化进程的迅猛发展,我国水资源匮乏、土地干旱和沙漠化问题以及水资源污染的情况日渐突出。如何有效地解决水资源匮乏以及去除水环境中重金属污染问题一直是国内外众多学者研究的热点。β-环糊精(β-CD)具有多羟基的化学结构,内腔疏水外腔亲水以及可生物降解的特性,非常适合用于开发可生物降解型吸附材料。本文主要以β-CD为原料,以丙烯酸(AA)和丙烯酰胺(AM)为单体,以聚乙烯醇(PVA)和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,通过自组装技术,采用反相悬浮法制备了两种功能性的β-环糊精基吸附材料,并对合成条件进行了优化,确定了最佳的合成条件;采用FTIR、SEM和DSC等手段,分析了产物的化学结构和物理性质;根据两种吸附材料的结构特点,对其相应性能进行了研究,通过分析产物的吸附动力学特征探讨了产物对金属离子的吸附机理。主要研究内容如下:(1)采用了反相悬浮法,通过自组装技术合成了β-CD/AA/PVA吸水树脂,结果表明,β-CD基吸水树脂最佳合成条件为:β-CD与AA和PVA的质量比为1:5:1,引发剂用量为0.35%(占单体总质量),交联剂用量为0.04%(占单体总质量),司班-80(span-80)用量为6.67%(占单体总质量),反应时间4 h,反应温度55 ℃以及环己烷用量为30 mL(油水比为2:1)。在此条件下合成产物对蒸馏水的吸水倍率为1629.39 g/g,对生理盐水的吸水倍率为91.48 g/g。通过对产物的FT-IR图谱分析得出:产物中有-OH、C=O和C-O-C等特征官能团的存在并且无C=C,证实了 β-CD与AA和PVA的接枝共聚合反应的发生;SEM图显示该树脂具有很好的三维网状结构,吸水后的网格横向尺寸约为30 μm;DSC结果表明其在300 ℃以下稳定性很好,为热塑型树脂;产物具有一定的耐盐性。对于氯盐和硫酸盐,吸液倍率大小顺序分别为NaCl>KCl>CaCl2>FeCl3、Na2S04>K2S04>Fe2(SO4)3>FeS04,而且氯盐的吸液效果比硫酸盐要好,溶液pH值越高产物的吸液效果越好。(2)以β-CD、AA和AM为原料,通过自组装接枝聚合反应合成了 β-CD/AA/AM吸附树脂,确定了最佳的合成工艺条件为:AA与AM的质量比为7:1,β-CD与单体质量比为1:3,引发剂的用量为0.3%(占单体总质量),交联剂的用量为0.04%(占单体总质量),反应中的溶剂为25 mL去离子水,50 mL环己烷(油水比为2:1)。最佳合成条件下的树脂对体积浓度均为80 mg/L的Cd2+、Cu2+和Pb2+溶液的吸附容量分别为78.94 mg/g、107.37 mg/L和80.04 mg/L,对蒸馏水的吸水倍率为1554.16 g/g,吸自来水倍率为840.75 g/g,吸生理盐水倍率为102.38 g/g,兼备良好的去除金属离子作用和吸水作用;FTIR谱图的分析结果表明β-CD、AA和AM三者之间的聚合反应已发生;从SEM谱图中可以看出产物表面多孔,有较好的三维立体网络结构;从XPS谱图中可以看出,树脂对金属离子的吸附存在竞吸现象;在DSC谱图中可见高于80 ℃的温度下,无放热(吸收)峰,树脂在高温下的稳定性较好。(3)本文采用准一级动力学模型、准二级动力学模型、Elovich方程和粒子内扩散模型来描述β-CD/AA/AM吸附树脂的吸附过程机理。吸附动力学研究结果表明:树脂在吸附Cu2+过程中,在低浓度的情况下(25mg/L,50mg/L),吸附过程符合准二阶动力学模型,在较高浓度(100 mg/L,150 mg/L)时,吸附过程较为符合粒子间扩散模型,在采用Elovich方程动力学模型进行拟合过程中,相关系数R2较高且不受初始浓度大小的影响,由此说明树脂对Cu2+的吸附过程用Elovich方程来解释更为合理,即:Cu2+的吸附过程中受到离子交换的影响,且Cu2+与吸附剂表面也发生了一定的络合作用;树脂在吸附Pb2+过程中,在浓度适中的情况下,即浓度为50 mg/L,100 mg/L的溶液,吸附过程较符合准二阶动力学模型、Elovich方程动力学模型和粒子间扩散模型,说明在此浓度时,树脂对Pb2+的过程更具规律性,树脂对Pb2+的过程同样伴随着离子交换作用和络合作用;树脂对四种不同初始浓度Cd2+的吸附均符合准二阶动力学方程和粒子间扩散方程,说明树脂对Cd2+的吸附在整个吸附过程中都伴随着化学吸附和物理吸附的,而且吸附过程基本不受浓度梯度的影响。