硅胶固化单宁酸的制备及吸附性能研究

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本文首先简要概述了土壤重金属的污染状况、重金属污染的修复方法、植物单宁的研究进展、植物单宁高分子材料的合成,在此基础上提出了目前土壤重金属污染修复方法的一些不足,如耗资大、周期长、修复重金属种类单一、螯合剂不能回收、材料本身对环境存在危害等。接着合成吸附材料(硅胶固化单宁酸TIS),并对其基本特性、合成条件、材料对重金属离子的吸附性能和模拟土壤中吸附能力做了研究,探讨一种投入少且环境污染较小、可回收的重金属螯合剂。  单宁酸,一种天然多酚化合物,对重金属表现出极强的吸附能力,但是单宁酸的亲水性使其不宜直接应用于重金属污染的修复。因此本文以硅胶为载体,利用Mannich反应将单宁酸固定在其表面,成功制备出一种新型的植物多酚型高分子材料。以单宁酸的固定率为指标,采用单因素分析法研究了合成TIS时的温度、反应时间、物料比、催化剂等因素,并对吸附材料(TIS)的基本特性及耐酸度进行了测定,得出TIS合成反应的最优条件为:反应温度90℃,反应时间4h,反应物料比1∶0.10∶0.08,反应催化剂2%。TIS基本特性为:粒径80.24μm±11.34μm,粒子数2.07×1012/g,含水量0.2%,密度1.17g/cm3,耐酸度98.4。  本文对硅胶固化单宁酸(TIS)与Pb2+、Cu2+、Zn2+相互作用过程中涉及到的诸多方面进行了研究,如pH值对反应的影响,吸附动力学、吸附热力学、热力学分析、结合常数和结合位点数的估算、脱附剂浓度的选择、温度对TIS脱附的影响、脱附动力学、TIS的重复利用次数等。结果表明:环境中不同的pH值对TIS吸附Pb2+、Cu2+、Zn2+有较大的影响,当溶液中的pH小于5时,TIS对Pb2+、Cu2+、Zn2+的吸附能力随着pH值增大上升幅度较快,溶液pH值大于5时TIS对金属离子的吸附能力增长率降低,pH为8时TIS对金属离子的吸附量达到相对较大值。硅胶固化单宁酸(TIS)吸附动力学过程较符合单指数方程,在25℃pH5.5,TIS对Pb2+、Cu2+、Zn2+达到吸附平衡时间约为60min,而将TIS装入透析袋,达平衡时间约为180min,但最大吸附量较一致;TIS对Pb2+、Cu2+、Zn2+的吸附过程符合Langmuir等温方程,TIS对Pb2+、Cu2+、Zn2+吸附过程中△G<0、△S>0和△H>0, TIS对金属离子的吸附过程主要为物理吸附过程;TIS对Pb2+、Cu2+、Zn2+结合位点数n1、n2、n3分别为7.80×107、2.36×108、1.42×108,结合常数K1、K2、K3分别为2.57×105、1.69×104、3.52×104。选择1mol/L的盐酸为脱附剂,温度对脱附的影响不大;常温下脱附剂对Pb2+、Cu2+、Zn2+三种金属离子在TIS上的脱附率分别达到了96.27%、95.55%和91.74%;已吸附金属离子材料脱附时,Cu2+、Zn2+达脱附平衡的时间为30min,Pb2+达脱附平衡的时间大约为50min;吸附材料对重金属离子吸附六次后,吸附能力约降低了7.01%,TIS具有良好的再生能力。  接着我们自制了一种模拟土壤,并进一步研究了模拟土壤中盐离子强度和湿度对TIS吸附Pb2+、Cu2+、Zn2+影响。结果表明:不同湿度模拟土壤中,TIS均能吸附土壤中的重金属离子,若增加土壤湿度,将有利于TIS吸附土壤中的重金属离子,达到修复土壤的目的。盐离子强度对TIS吸附Pb2+、Cu2+、Zn2+影响实验表明,模拟土壤中随着Na+浓度的增加吸附材料TIS对Pb2+、Cu2+、Zn2+的最大吸附量并没有显著变化。
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