新型功能化水凝胶制备与表征及其对水中铜离子吸附研究

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水体中重金属离子污染由于其对人类和整个生态环境的毒性,引起了极大的关注。人体中重金属离子积累会导致大脑,皮肤,胰腺和心脏疾病。因此对受重金属污染的水进行处理后再排放到水体显得尤为重要。在去除重金属离子的众多方法中,吸附法被认为是最有效,最经济的技术,具有低成本,操作方便,易于控制,无二次污染等优点。常见的吸附剂材料常存在制备方法复杂,回收利用率低和强化改性等问题。本课题的目的是寻求一种制备方法简单,对重金属吸附效果良好,回收利用率高的新型功能化水凝胶吸附材料。本课题针对强吸附能力,便于回收的复合水凝胶开展相关研究,蕴含着极其丰富的基础研究内容,不仅有着广阔的应用背景和指导作用,而且对更深层次地揭示水凝胶去除重金属离子的机理有着极为重要的科学意义,可为解决水体重金属污染问题提供新的途径,拓展和丰富纳米技术和高分子技术在水处理领域中的应用。  本文采用光聚合交联法,制备出了新型复合水凝胶-聚(2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-均三嗪/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)(p(VDT-co-AMPS))。通过一系列表征手段(FT-IR、SEM、TGA及XPS)来研究合成水凝胶的功能基团,表面形貌,热稳定性,元素组成,通过吸附动力学、吸附等温线、影响因素(Cu2+初始浓度、水凝胶组成、pH、温度)、吸附再生等实验,研究其吸附性能及重复使用能力,并探索水凝胶吸附Cu2+的机理。具体结论如下:  (1)采用光聚合交联法,以VDT和AMPS为单体,成功制备出新型功能化水凝胶—p(VDT-co-AMPS)。  (2)对不同组分水凝胶进行溶胀性能实验,结果表明,p(VDT-co-AMPS)水凝胶的溶胀率主要受到共聚单体VDT与AMPS比例的影响,而受到水凝胶的结构影响较小。  (3)FTIR分析和TGA分析确定了p(VDT-co-AMPS)水凝胶的成功合成,TGA分析还说明不同配比水凝胶热稳定性相差不大;SEM结果表明p(VDT/AMPS)水凝胶是一种多孔的具有网状结构的高分子材料。  (4)pH影响实验结果表明,p(VDT-co-AMPS)水凝胶吸附铜离子最佳pH为6;同时,可推测水凝胶吸附铜离子可能存在静电引力、离子交换和螯合三种作用。温度影响实验结果表明,在一定温度范围内,温度升高,水凝胶对铜离子吸附量增加。  (5)水凝胶吸附再生实验表明,HNO3对p(VDT-co-AMPS)水凝胶脱附铜离子效果优于HCl,且脱附效率随着脱附液浓度的增大而增加。吸附铜离子的P(VDT-co-AMPS)水凝胶用1mol/LHNO3进行脱附,脱附效率在95%以上,可进行4次重复利用。  (6)吸附动力学实验结果表明,p(VDT-co-AMPS)水凝胶对铜离子的吸附遵循二级动力学模型,说明水凝胶吸附铜离子存在化学作用,且化学作用控制吸附速率。水凝胶吸附铜离子速率随着VDT含量增加而增加;吸附等温线实验结果表明,水凝胶对铜离子的吸附遵循Langmuir吸附模型,为单分子层优惠吸附过程,且VDT含量越低,优惠吸附越明显。  (7)p(VDT-co-AMPS)水凝胶吸附铜离子是由化学作用和物理作用共同完成的。其中化学机理包括功能基团与Cu2+之间静电作用、-NH2、-CONH-与Cu2+之间螯合作用和-SO3H与 Cu2+Z之间离子交换作用;物理吸附主要依赖于水凝胶三维多孔网络结构。
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