树脂基环境功能材料的制备及对钼/铬阴离子污染物的去除研究

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水资源的保护以及水污染的防控已成为二十一世纪全球关注的焦点之一,解决该问题的首要任务便是水体的净化再利用。而开发重复利用性好、高吸附量及绿色环保的新型吸附剂具有重要的意义。近年来,树脂材料因其优良的化学稳定性、可重复利用性及易功能基化等优点,在水环境污染物治理方面具有良好的应用前景。本研究通过对树脂材料进行改性,合成了载金属纳米颗粒树脂以及氨基功能化树脂两种复合材料,并分别研究其对水中钼酸根离子和六价铬离子的吸附性能及机理。具体研究内容与结果如下:本研究通过原位合成法制备成一种以阴离子交换树脂(Ps AX)为载体的功能化纳米复合材料(HFO-Ps AX),用于选择性吸附水溶液中的钼酸盐。与Ps AX相比,HFO-Ps AX对钼酸根离子的选择性大大提高。竞争吸附研究表明:氯化物、碳酸盐、硫酸盐和磷酸盐对HFO-Ps AX吸附钼酸根离子的竞争能力顺序为:氯化物<磷酸盐<碳酸盐<硫酸盐。确定了钼酸根吸附的最佳p H=4,在碱性极强的条件下(p H=14),HFO-Ps AX对钼酸根仍有一定的吸附容量。固定床柱吸附实验验证了HFO-Ps AX在实际污染应用中处理Mo(VI)的潜力,吸附饱和的HFO-Ps AX可以用质量浓度均为5%的Na OH-Na Cl二元溶液再生而不损失吸附容量。HFO-Ps AX对Mo(Ⅵ)的吸附以季氨基基团的离子交换和HFO表面的Fe-O配位络合共同作用实现高选择性吸附。另外,通过一步水热反应将乙二胺基团成功接枝到氯甲基化的聚苯乙烯树脂(CMPs)合成具还原和吸附性能的双功能材料CMPs@NH2。利用FT-IR、XPS和N2吸附-脱附等温线测试等技术对制备的CMPs@NH2形态、孔隙结构、元素分析和官能团组成进行表征;研究时间、温度、p H等条件对CMPs@NH2同步还原-吸附Cr(Ⅵ)的性能和机理。FT-IR分析表明氨基成功接枝到CMPs上,包含有氨/胺基(-NH2/-NHR’)两种形式的氨基功能基团。Cr(Ⅵ)在CMPs@NH2上的吸附动力学符合拟二级动力学模型,表明其吸附主要是化学吸附。吸附等温线满足Langmuir模型,表明其吸附过程为单层吸附,且通过Langmuir模型计算得到CMPs@NH2在283 K,298 K,313 K三个不同温度下的最大吸附容量分别为234.19 mg/g,272.09mg/g和323.84 mg/g。吸附剂可通过5%的Na OH碱液溶液以及5%的硝酸溶液先后进行脱附再生。五次吸附-脱附循环实验后,吸附剂对Cr(Ⅵ)仍然存在高的去除效率。XPS分析表明,CMPs@NH2上同时存在Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ),在酸性条件下复合材料具有更强的还原性,表面的氨基(-NH2)以及少量的亚甲基(-CH2-)参与了还原反应。Cr(Ⅵ)的去除主要通过质子化氨基(-NH3+)的静电吸附作用,而还原的Cr(Ⅲ)主要通过与亚氨基(-NH=)的配位作用被去除。
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