富含酚氨基团材料的制备及吸附铬性能研究

来源 :齐鲁工业大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:wooool123
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贻贝粘附蛋白中的邻苯二酚基团和胺基聚合产生粘附性质,受此启发,利用聚多巴胺表面改性成为使材料表面功能化的最简单、最通用的方法之一。根据聚多巴胺中酚羟基和氨基的聚合机制,本论文设计合成了聚胺化木质素磺酸钠-单宁酸(PLSTP-TA)、聚乙烯醇@聚酚胺杂化材料(PVA@PTHA)和银杏叶纤维基聚酚胺复合材料(PTC@Gbf)这三种富含酚氨基团的新型吸附材料。通过环境扫描电镜(SEM)-能谱分析(EDS)、红外光谱仪(FT-IR)、拉曼光谱仪(Raman)、紫外光谱仪(UV-visible spectroscopy)、热失重分析仪(TGA)、1H固态核磁共振谱(1H NMR)、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等分析技术表征分析了材料的微观形貌及结构、元素构成和表面官能团等。以六价铬离子Cr(Ⅵ)和染料分子(如刚果红、CR)作为目标污染物来评测吸附材料的吸附性能,主要研究了吸附接触时间、目标离子初始浓度、溶液p H环境及温度、吸附剂用量和共存离子等因素对吸附材料能力的影响,并通过动力学模型、等温吸附模型对所得数据进行拟合分析,进一步探究吸附材料可能的吸附机理。本论文主要分为三个部分:(1)将提纯过的木质素磺酸钠在90 ℃下通过甲醛与四乙烯五胺反应制备胺化木质素磺酸钠,将胺化木质素磺酸钠与单宁酸在弱碱性中通过室温反应制备了一种对Cr(Ⅵ)离子有良好吸附性能的新型吸附剂(PLSTP-TA)。通过一系列实验探究了可能影响PLSTP-TA吸附能力的条件,实验结果表明珊瑚状的PLSTP-TA对Cr(Ⅵ)离子的吸收容量为672 mg/g,在一定浓度的Cr(Ⅵ)溶液中PLSTP-TA对目标离子的去除率约等于100%。吸附数据与Langmuir模型和Lagergren准二级动力学模型拟合度较高,说明Cr(Ⅵ)离子在吸附剂上发生的是单层吸附并且整个吸附过程的吸附动力学受化学吸附的限制;外加金属离子对PLSTP-TA吸附性能的干扰微弱,表明PLSTP-TA在溶液中对Cr(Ⅵ)离子的吸收有较高的选择性。共存阴离子的加入会降低吸附材料的吸附性能,结合XPS分析可知氧化还原作用和静电吸引作用是去除Cr(Ⅵ)离子的主要吸附机理。(2)通过单宁酸和1,6-己二胺的组装-聚合性能,以聚乙烯醇为前驱模板,制备了空心球状Cr(Ⅵ)吸附剂。结果表明只有在HA/PVA摩尔比为1:2并且HA/PVA混合溶液滴加温度在60 ℃时制备的吸附剂才能形成完美的空心球结构。拥有中空结构的聚乙烯醇@聚(单宁酸-己二胺)(PVA@PTHA)可以在负载Cr离子的同时将Cr(Ⅵ)转变为Cr(III)。通过系统探讨多种影响PVA@PTHA吸附Cr(Ⅵ)离子的因素,发现:在p H=2.0的条件下,PVA@PTHA的吸附容量为434 mg/g;PVA@PTHA吸附剂能够快速地清除水中的Cr(Ⅵ)离子,在低浓度溶液中5分钟之内PVA@PTHA就能做到大约100%的去除率。这归功于PVA@PTHA吸附材料是特殊的空心结构以及其中聚乙烯醇的存在。整个吸附还原过程遵循Langmuir等温方程(R2=0.9994),并且吸附数据经拟合,很好地符合Lagergren准二级动力学方程(R2=0.9984)。此外,作为竞争性离子的硝酸根(NO3-)或硫酸根(SO42-)以及金属离子(Cu2+,Fe3+,Mn2+)对PVA@PTHA去除Cr(Ⅵ)的能力影响不明显。经过三个可重用性循环后分析,PVA@PTHA对Cr(Ⅵ)离子的吸收量仍然可保持在251 mg/g左右。综上所述,PVA@PTHA是一种能快速高效去除污水中Cr(Ⅵ)离子并可进行重复循环使用的优秀吸附材料。(3)利用银杏叶的天然孔道,将粉碎的多孔银杏叶纤维在Tris缓冲溶液(p H=8.5)中,与低浓度的邻苯二酚和三乙烯四胺温和地反应,其多孔的结构和粗糙的表面被丰富的官能团覆盖,制备了一种新型的绿色复合材料(PTC@Gbf)。PTC@Gbf复合材料在去除水溶液中的Cr(Ⅵ)离子和染料刚果红(CR)分子时都表现出了优异的性能。与银杏叶纤维相比较而言,PTC@Gbf复合材料对Cr(Ⅵ)离子的吸收容量提升122 mg/g,对CR的吸附量提升大约296 mg/g,明显优于单纯的银杏叶纤维。拟合实验数据揭示:PTC@Gbf复合吸附材料对Cr(Ⅵ)离子和CR的吸附数据都与Lagergren准二级动力学模型和Langmuir等温模型具有良好的相关性,都属于化学吸附过程。简而言之,PTC@Gbf复合材料是一种低廉、易制备的绿色吸附材料,对溶液中的有毒重金属Cr和染料分子CR都有良好的去除能力。富含酚氨的杂化/复合聚酚胺吸附剂具有成本低廉,制备方法简单,反应条件温和易控制等优点,而且该类吸附材料对水体中Cr(Ⅵ)离子具有优异的去除能力和高选择性,因此在针对性处理水体系中重金属污染方面有一定的应用价值。
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