论文部分内容阅读
随着我国畜禽养殖业的规模化发展,四环素类抗生素和微量重金属离子（铅、铜、锌、砷等）作为饲料添加剂广泛用于畜禽养殖业,但超量使用会导致畜禽粪便中高浓度抗生素和重金属离子残留。畜禽粪便中残留的四环素类抗生素和重金属离子堆积在地下水中对生态环境和人类健康构成了巨大的潜在威胁。因此,需要有效的水处理技术将水资源中的四环素类抗生素和铅离子降低到微量水平。目前,吸附分离法因为操作简单、成本低廉和不易产生二次污染而被广泛应用于废水的常规处理。但活性碳、分子筛和生物吸附剂等常见的吸附剂普遍存在着选择性差、吸附容量低以及等温吸附平衡时间久等缺点。冰胶（Cryogel）是一种通过聚合或交联反应制备的疏松的、大孔状的凝胶,它以特有的大孔结构、良好的机械性能和稳定性被人们发掘研究,可广泛应用于充当吸附分离及催化的基底材料。分子印迹膜（Molecular imprinting membranes,MIMs）是结合了分子印迹技术（Molecular imprinting technology,MIT）与膜分离技术（Membrane separation technology,MST）两种方法的特点而产生的一种新型材料,从而MIMs具有低能耗、方便操作、渗透选择性能好等优点,被较多地应用在分子的选择性分离和识别领域方面。基于此,结合MST与冷冻聚合技术（Frozen polymerization technology,FPT）和分子印迹技术（MIT）,可以得到冰胶颗粒掺杂的分子印迹复合膜（Molecularly imprinted composite membranes,MICMs）。然而,在实际操作过程中冰胶聚合物与分子印迹膜并不能很好结合。因此,分子印迹冰胶聚合物膜已经成为MICMs持续发展的突破点之一。本研究主要开展了对水环境中重金属与抗生素污染物吸附分离行为的探究。将冷冻聚合技术（FPT）、膜分离技术（MST）和分子印迹技术（MIT）结合起来,并采用自由基聚合法、乳液共混法和低温乳胶聚合法来提升冰胶聚合物的吸附性能和稳定再生性能,通过运用溶胶-凝胶法和表面聚合改性的方法来提升膜的稳定性能和吸附分离性能;利用傅里叶变换红外光谱仪FT-IR)、X-射线光电子能谱仪（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、等对材料表面化学组成、表面形貌特征等加以表征;利用等温吸附、时间梯度吸附及渗透等实验手段考察所制备材料对目标离子的选择性分离性能;结合等温吸附模型及动力学吸附模型更加深入探求分子印迹纳米冰胶复合膜选择性分离目标物的作用机理。具体内容如下:1.自由基聚合法制备三维大孔径冰胶聚合物材料的制备及其对于水中Pb2+吸附性能研究利用冷冻聚合技术,通过自由基引发聚合成功构建了聚甲基丙烯酸羟乙酯（PHEMA）和聚丙烯酸十八酯（PSA）冰胶聚合物,用来考察不同冰胶材料对于水中Pb2+的吸附性能。这种合成方法具有简单、高效且环保的优点。此外,采用SEM和FT-IR测试等表征手段对所合成的PHEMA和PSA进行表面形貌进行表征并分析。将PHEMA和PSA冰胶聚合物对于水中Pb2+离子的吸附性能进行对比研究。实验结果表明,Pb2+吸附的最佳pH值为6并增加温度使系统的熵增加有利于提高吸附容量。在最佳吸附条件下,PHEMA冰胶相比于PSA冰胶的最大吸附量可达99.83 mg g-1并且经过7次的循环实验后,再生性能仍为初始吸附量的96%,表明所制得的PHEMA和PSA冰胶聚合物具有良好的再生稳定性。2.低温乳液共聚法制备冰胶聚合物颗粒掺杂的PHEMA冰胶材料的制备及其对于水中重金属离子的吸附性能研究利用冷冻聚合技术,通过乳液共混法、自由基引发聚合与低温乳胶共聚成功构建了poly（HEMA-MAGA）/PHEMA冰胶聚合物。首先将poly（HEMA-MAGA）颗粒通过低温乳胶聚合法与冰胶结构单体甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）共聚合,然后采用自由基聚合技术制成poly（HEMA-MAGA）/PHEMA冰胶聚合物,用来考察不同冰胶材料对于水中Ag+、Pb2+、Zn2+、Cr3+的吸附性能。最后采用SEM、XPS和FT-IR测试等表征手段对poly（HEMA-MAGA）/PHEMA冰胶聚合物的结构组成和形貌特征进行系统的研究与分析。此外,同时比较了poly（HEMA-MAGA）/PHEMA冰胶聚合物和PHEMA冰胶聚合物的对于水中重金属离子吸附性能。poly（HEMA-MAGA）/PHEMA冰胶对Pb2+的吸附性能(吸附量为124.84 mg g-1)远高于其他三种离子,七次再生循环后poly（HEMA-MAGA）/PHEMA冰胶聚合物对Ag+、Pb2+、Zn2+、Cr3+吸附量仍高于原始吸附量的92.8%,表明所制得的poly（HEMA-MAGA）/PHEMA冰胶聚合物具有良好的再生稳定性。3.采用溶胶-凝胶印迹技术的TC-分子印迹冰胶复合膜的制备及其选择性分离四环素的吸附性能研究将膜分离技术与分子印迹技术共同用于材料制备过程中,通过多功能改性方法将poly（HEMA-MAGA）的高亲水性与聚偏氟乙烯高稳定性优点相互融合并制备了四环素印迹纳米冰胶复合膜。为了提高印迹纳米复合膜的相关性能,首先将poly（HEMA-MAGA）冰胶纳米颗粒与PVDF粉末混合在一起,运用相转化法制备poly（HEMA-MAGA）/PVDF共混基底膜,随后通过表面改性以KH-570在共混膜的表面作为交联剂进行官能团接枝,得到具有良好的亲水性和稳定性KH-570@poly（HEMA-MAGA）/PVDF复合膜。然后通过溶胶-凝胶法表面印迹技术,制备以四环素为模板分子的复合印迹膜（TC-KH-570@PPMs）。最后采用SEM、XPS和FT-IR等表征手段对TC-KH-570@PPMs的表面结构组成和形貌特征进行系统的采样观察与研究分析。除此之外,还进行了分子印迹纳米复合膜（TC-KH-570@PPMs）和非印迹复合膜（KH-570@PPMs）的吸附分离性能和选择渗透性能的比较。结果表明所制备的TC-KH-570@PPMs在低浓度(125 mg L-1)工作条件下表现出对TC较高的吸附选择性（TC/CEX=2.72,TC/CEX=3.65,TC/SMZ=3.53）及渗透选择性（CEX/TC=5.60,SMZ/TC=5.51）,表明制备的TC-KH-570@PPMs对目标物表现出更强的特异性吸附能力。并且七次再生循环后TC-KH-570@PPMs对TC吸附量可达到起始吸附浓度的94.2%,表明所制得的TC-KH-570@PPMs具有较好的稳定再生性能。