壳聚糖改性膨润土的制备及对四环素吸附性能研究

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我国是四环素生产和使用大国,制药废水等废水中含有大量四环素,对人类健康和生态环境造成巨大威胁。近年来,吸附法在四环素废水的处理中得到广泛应用。膨润土是一种优质的天然吸附剂,价格低廉,具备良好的离子交换性能,具有应用于四环素废水处理的潜力。但由于其亲水性和溶胀性,使得其吸附后固液分离困难且回收过程难以避免吸附剂流失问题,这限制了其在四环素废水处理中的应用。因此,开发一种吸附后固液分离简便且回收过程不会流失的球形膨润土吸附剂对四环素废水处理具有重要意义。本研究通过Na2CO3和壳聚糖对天然钙基膨润土进行改性,并进一步通过“溶胶-凝胶法”将改性膨润土制备成球形颗粒,优化了制备工艺。借助扫描电镜、X射线衍射、傅里叶变换红外吸收光谱、热重分析和BET表面分析等表征手段对制备的两种吸附剂进行结构表征,并对壳聚糖改性膨润土及球形壳聚糖改性膨润土吸附模拟废水中的四环素的影响因素和机理进行了系统研究。本研究以Na2CO3和壳聚糖为改性剂,采用共沉淀法合成了壳聚糖改性膨润土,当Na2CO3用量为4%(占土重),壳聚糖与膨润土质量比为1:5时,改性效果最佳。各种表征结果显示,壳聚糖成功进入膨润土层间,使其层间距有所增大,但并未改变膨润土层状介孔结构,壳聚糖改性膨润土上出现了壳聚糖的-CH3和-CH2基团。以四环素为目标污染物进行静态吸附实验,最佳条件下四环素吸附量为19.32 mg/g。吸附过程更加符合准二级动力学模型和Frenudlich模型,说明该吸附过程是一个非单层的化学吸附过程,Langmiur模型拟合得到的最大单层吸附量为119.46 mg/g。热力学参数说明该吸附过程是一个自发进行的、吸热的、熵增加的过程。在壳聚糖改性膨润土的基础上,本研究进一步采用“溶胶-凝胶法”制备球形壳聚糖改性膨润土。当壳聚糖与膨润土质量比为1:50,海藻酸钠浓度为1%(w/v),Ca Cl2溶液浓度为2%(w/v),真空冷冻干燥24 h时制备的球形吸附剂吸附效果最佳。各种表征结果显示,球形吸附剂表面孔道较少,比表面积相比粉末下降96.6%,但未改变膨润土层状介孔结构,海藻酸钠并未进入改性土层间,球形壳聚糖改性膨润土出现了海藻酸钠的-COOH基团。以四环素为目标污染物进行静态吸附实验,最佳条件下四环素吸附量为17.91 mg/g。该吸附过程同样符合准二级动力学模型和Frenudlich模型,说明该吸附过程是一个非单层的化学吸附过程,同时颗粒内扩散对吸附速率的影响要高于粉末,Langmiur模型拟合得到的最大单层吸附量为34.55 mg/g。热力学参数说明该吸附过程同样是一个自发进行的、吸热的、熵增加的过程。球形吸附剂固液分离简便且不会流失,在废水处理中有着广阔的应用前景,壳聚糖改性膨润土与球形壳聚糖改性膨润土吸附四环素过程存在一定差别。
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