【摘 要】
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近年来,各种水环境污染问题层出不穷,愈来愈严重,受到了广泛关注。水环境中存在的一些污染物会随食物链逐渐累积,是人类健康、生态安全及环境稳定的严重隐患。壳聚糖基材料作为水处理领域的一种新型吸附剂,受到全球各地研究学者的广泛关注。由于合成制备方法的不同,壳聚糖基材料会具有不同的理化性质,适用于去除污水中不同的污染物,具有高效性、稳定性、靶向性。相比将壳聚糖基材料应用于去除阳离子污染物(重金属离子等),
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近年来,各种水环境污染问题层出不穷,愈来愈严重,受到了广泛关注。水环境中存在的一些污染物会随食物链逐渐累积,是人类健康、生态安全及环境稳定的严重隐患。壳聚糖基材料作为水处理领域的一种新型吸附剂,受到全球各地研究学者的广泛关注。由于合成制备方法的不同,壳聚糖基材料会具有不同的理化性质,适用于去除污水中不同的污染物,具有高效性、稳定性、靶向性。相比将壳聚糖基材料应用于去除阳离子污染物(重金属离子等),阴离子污染物,如全氟辛酸和硝酸根,受到的关注较少。全氟辛酸在水溶液中呈有机羧酸根阴离子,化学稳定性好,难以被自然生物、化学降解,因此常规的市政污水处理工艺并不能有效去除全氟辛酸。而硝酸根呈无机阴离子,具有极高的水溶性,使得全球各地均能检测到硝酸根污染。因此,研究制备一种可高效稳定去除全氟辛酸、硝酸根的壳聚糖基材料,对开发阴离子类污染物质的去除具有重要的参考价值和广阔的应用前景。本文采用反复冻融法制备了新型壳聚糖-乙二醇水凝胶材料(Chitosan-ethylene glycol hydrogel,CEGH),以全氟辛酸和硝酸钾分别作为有机、无机阴离子污染物的代表,探究该材料对水溶液中阴离子污染物的去除效果,利用吸附等温线、吸附动力学、影响因素实验探究该水凝胶材料的吸附性能,并通过SEM表征、FTIR分析、XPS分析、热重分析等多种表征方法探究该水凝胶材料的物化性能,以及对污染物质的吸附机理。壳聚糖-乙二醇水凝胶材料吸附去除水溶液中全氟辛酸的主要研究内容及结论如下:(1)该水凝胶材料微观表面粗糙,富含氨基、羟基基团,能够有效去除全氟辛酸。(2)吸附过程符合Freundlich-Langmuir复合等温线模型,相关系数R~2达0.964,理论上最大饱和吸附量为1275.9 mg/g,比许多已经研究报道过的全氟辛酸吸附剂的吸附量要高出很多。(3)吸附平衡时间大约为10小时,准一级模型对动力学实验数据拟合效果最好,相关系数R~2达到0.96。(4)样品的初始p H值和吸附反应温度均能够对全氟辛酸的吸附过程产生重要影响。随着溶液初始p H的增大,吸附量快速下降;接触反应温度的升高,吸附量随之升高。(5)实验数据与表征结果表明质子化氨基基团能够促进该水凝胶材料与全氟辛酸之间产生离子氢键作用。离子氢键是该水凝胶材料吸附全氟辛酸的主要去除机理。壳聚糖-乙二醇水凝胶材料吸附去除水溶液中硝酸根的主要研究内容及结论如下:(1)该水凝胶材料含有的氨基、羟基基团,能够有效促进其对水溶液中硝酸根的吸附。(2)吸附过程符合Langmuir等温线模型,相关系数R~2达0.98,理论最大饱和吸附量为49.04 mg/g,这比许多已经研究报道过的硝酸根吸附剂的吸附量要高出很多。(3)吸附平衡时间大约为10小时,准二级模型对动力学实验数据拟合效果最好,相关系数R~2达到0.994。(4)样品的初始p H值、吸附反应温度、共存离子均能够对硝酸根的吸附过程产生重要影响。随着溶液初始p H的增大,吸附量逐渐降低;接触反应温度的升高,吸附量随之降低;各种共存阴离子均能与硝酸根之间产生竞争作用,从而降低CEGH对硝酸根的吸附,且共存阴离子所带负电荷越多,吸附抑制效果越明显。(5)实验数据与表征结果表明CEGH含有的N-H、O-H能够与硝酸根之间产生极性作用,导致CEGH对硝酸根有着较高的吸附量。在低p H时,溶液中大量的H+还会引发静电作用和离子氢键作用,进一步提高材料对硝酸根的吸附量。本研究表明,新型壳聚糖-乙二醇水凝胶材料能够有效去除水溶液中的全氟辛酸、硝酸根,为今后类似阴离子的去除提供参考,为相关材料的开发与实际应用奠定基础。
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