磁性离子印迹壳聚糖的制备及其吸附水中Cu(Ⅱ)的研究

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水环境中过量的铜离子会造成环境污染,对人体健康造成伤害。去除水溶液中铜元素的方法很多,磁性离子印迹壳聚糖在重金属吸附去除上具有很大的潜力。然而,目前这些磁性离子印迹壳聚糖中的磁性物质,都需在制备过程中提前使用化学试剂合成备好,而后才用于与壳聚糖复合,因此需要消耗昂贵的化学试剂,并且制备步骤繁多。这些问题极大地限制了这些材料的实际应用。  本文以钢铁酸洗废液为原料,与壳聚糖溶液混溶,采用共沉淀的方法制备磁性壳聚糖,并以Cu(Ⅱ)为模板离子,引入离子印迹技术,制得磁性离子印迹壳聚糖(MICS),用于吸附水溶液中的铜离子。  首先,本文从壳聚糖酸性溶液的选择、戊二醛使用量、模板离子投加量、洗脱液的选择等方面确定了材料的最佳制备工艺,并通过透射电镜、扫描电镜、X射线粉末衍射仪、傅立叶红外光谱等手段对MICS进行了全面的表征。通过对材料的表征可知,MICS粒径主要在50μm左右,材料中存在氨基、醛基等基团,MICS中的磁性物质为Fe3O4,使得材料具有超顺磁性。  然后,在吸附研究中,本文探究了溶液初始pH值、材料投加量、反应时间、反应温度等因素对吸附的影响,利用不同吸附等温线方程、吸附动力学方程、吸附热力学方程对实验数据进行拟合,结合MICS在干扰离子存在下对铜离子的吸附选择性,分析了其吸附行为和机理。吸附研究表明,pH值越高,材料投加量越大,去除效果越好。吸附动力学符合准二级动力学模型,Langmuir吸附等温线模型拟合程度最高,由此计算所得最大吸附量为109.89mg g-1,结合热力学结果发现,该吸附过程为自发、放热的化学吸附。吸附选择性实验结果表明,引进离子印迹技术能够提高材料对模板离子Cu(Ⅱ)的吸附选择性。机理分析研究说明:壳聚糖吸附Cu(Ⅱ)属于化学吸附,与材料表征、动力学、热力学所得结果相符;“桥型”螯合更适用于描述MICS对Cu(Ⅱ)的吸附机理;吸附位点主要形成在材料的表面和近表面;MICS上形成了一定量的离子印迹空穴,保证了材料对Cu(Ⅱ)的吸附量;模板离子在壳聚糖交联过程中起到保护氨基的作用,使得MICS产生更多的吸附位点。  最后,还考察了不同洗脱液对脱附效果的影响,并通过多个周期的连续吸附-脱附实验,研究材料的重复利用性能。同时,使用实际含铜电镀废水进行了吸附试验,并据此核算其处理成本。通过重复利用性实验可知,0.2 mol L-1 HCl溶液对吸附后的MICS洗脱效果最佳。通过处理实际废水发现,MICS能有效去除废水中的铜离子,循环再生后,去除效果仍然显著,在较少的材料投加量下,处理后的水量仍能满足国家标准《电镀污染物排放标准》(GB21900-2008)表2中总铜的排放限值(0.5 mg L-1),并依此进行成本核算。最后,说明本文所制备MICS具有很好的发展潜力。
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