【摘 要】
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镉、铅是毒性很强的重金属,未经处理的含镉、含铅废水排入水体会对水生态系统和人类生命安全产生严重的危害和隐患。另外,镉、铅因其优良的理化特性在工业生产中扮演着重要角色,因此,高效去除回收废水中的镉、铅具有重要意义。本文通过密度泛函理论（Density functional theory,DFT）计算指导开发出一种成本低廉、高效绿色的羧基化壳聚糖纤维吸附剂（Carboxylated chitosan,
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镉、铅是毒性很强的重金属,未经处理的含镉、含铅废水排入水体会对水生态系统和人类生命安全产生严重的危害和隐患。另外,镉、铅因其优良的理化特性在工业生产中扮演着重要角色,因此,高效去除回收废水中的镉、铅具有重要意义。本文通过密度泛函理论（Density functional theory,DFT）计算指导开发出一种成本低廉、高效绿色的羧基化壳聚糖纤维吸附剂（Carboxylated chitosan,CL-CTS）,用于废水中镉、铅的去除和回收研究,并通过一系列性能评价实验和表征分析方法对Cd2+、Pb2+的吸附解吸行为进行研究。采用DFT计算对羧基、氨基、氨基硫脲、磷酸基、磺酸基和巯基等不同官能团改性得到的壳聚糖（Chitosan,CTS）吸附剂进行模型构建及几何优化,通过计算并比较不同官能团改性壳聚糖对Cd2+、Pb2+的吸附能,确定羧基为Cd2+、Pb2+的最优吸附官能团。此外,通过分类比较在CTS不同位点改性的吸附剂对Cd2+、Pb2+吸附能,发现不论是在氨基位点还是羟基位点改性对吸附剂的吸附性能影响不大。选用柠檬酸和氯乙酸为改性剂,制备出四种羧基化壳聚糖纤维吸附剂,通过对Cd2+、Pb2+的吸附性能比选实验,最终确定壳聚糖纤维羧基化改性的最优方法为氯乙酸改性。优化后的CL-CTS的最佳制备方法为:以乙二醇二缩水甘油醚（Ethylene glycol diglycidyl ether,EGDE）为交联剂,采取一步交联方式,CTS单体与EGDE的摩尔比取1:1.2,CTS与氯乙酸质量比取1:14（g/g）。优化后的CL-CTS对Cd2+、Pb2+的吸附量分别为132 mg/g、156 mg/g,与未优化制备方法相比,分别提高了约111.5%、48.6%。FT-IR显示EGDE主要与CTS上的羟基位点发生交联反应,且羧基官能团成功地被嫁接到壳聚糖上。CL-CTS对Cd2+、Pb2+的吸附解吸实验研究表明:CL-CTS对Cd2+和Pb2+的吸附分别更适合用Langmuir和Freundlich等温线模型描述。相同吸附温度下,CL-CTS对Pb2+的吸附结合能力更强;CL-CTS对Cd2+、Pb2+的吸附过程是自发进行的,且是熵增的、吸热的反应。同一吸附温度下,CL-CTS对Pb2+的吸附更容易进行;CL-CTS对Cd2+、Pb2+的吸附动力学研究均可用Avrami模型很好地描述,但CL-CTS对Pb2+的吸附更快;0.2M的HNO3对吸附Cd2+、Pb2+后的CL-CTS解吸效果最好,采用硫酸-硝酸分步解吸法可实现对Cd2+和Pb2+的分离;CL-CTS对Cd2+的吸附受Cl-和NH4+的干扰较小,而受高浓度的Ca2+和EDTA干扰较大,通过DFT计算CL-CTS对不同干扰金属离子及EDTA对Cd2+的吸附能结果与实验结论一致;FT-IR、XPS表明,氨基和含氧官能团参与了CL-CTS对Cd2+、Pb2+的吸附,-COO-与Cd2+、Pb2+之间的静电吸引和氨基对Cd2+、Pb2+的络合作用是主要吸附机理,解吸机理主要是高浓度的H+置换吸附上去的Cd2+、Pb2+。
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