【摘 要】
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当前,重金属污染是工业废水中一直存在且将长期存在的问题。吸附技术因其占地面积小、操作简便成为重金属废水去除和回收的常用技术之一。吸附技术中吸附剂表面的官能团是去除金属离子的关键,而一类吸附功能团往往可以同时吸附不同金属离子,因此探究不同典型吸附官能团与金属离子间的吸附特性将有利于吸附材料的开发研究。基于此,本研究以含有羧基、磺酸基、氨基、磷酸基等4种不同类型基团的典型吸附树脂为研究对象,分别对Cu
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当前,重金属污染是工业废水中一直存在且将长期存在的问题。吸附技术因其占地面积小、操作简便成为重金属废水去除和回收的常用技术之一。吸附技术中吸附剂表面的官能团是去除金属离子的关键,而一类吸附功能团往往可以同时吸附不同金属离子,因此探究不同典型吸附官能团与金属离子间的吸附特性将有利于吸附材料的开发研究。基于此,本研究以含有羧基、磺酸基、氨基、磷酸基等4种不同类型基团的典型吸附树脂为研究对象,分别对Cu（II）、Ni（II）、Zn（II）、Cd（II）、Mn（II）、Pb（II）、Hg（II）、Co（II）、Cr（III）等9种常见重金属离子在单一金属组分溶液中的吸附性能,以及二元金属组分溶液竞争吸附中的选择吸附性能进行探究;并采用FTIR及XPS表征手段进行材料分析,结合基于密度泛函理论（DFT）的量子化学计算,从微观层面对单组分溶液及二元组分溶液中的吸附机理进行探究;以金属离子理化参数、吸附树脂对重金属吸附的量子化学参数等为描述符,构建了其与重金属离子吸附容量的定量-构效关系,建立吸附树脂对重金属离子的吸附量预测模型;最后使用建模以外同类型基团的树脂进行吸附容量测试,验证了预测模型的适用性。分别在单一金属组分溶液和二元金属组分溶液进行等温吸附实验,通过等温吸附模型对其进行最大吸附量的拟合计算,结合密度泛函理论（DFT）对吸附能的计算,对比研究了四种不同类型基团的吸附树脂分别对9种重金属离子的吸附性能。获取了四种吸附树脂在单一金属组分溶液种中的最大吸附量排序;以及在二元组分金属溶液竞争吸附过程中四类吸附树脂各金属的选择吸附性能排序。通过FTIR和XPS等表征分析可以推断,吸附机理主要是吸附树脂上的羧基、磺酸基、氨基、磷酸基等带负电基团对金属离子的静电吸附作用及螯合作用。其中WK10及UBK550与金属离子间的结合为静电吸引,TP260及CR11树脂与金属离子间的结合为静电吸引与螯合的共同作用。同时,基于密度泛函理论（DFT）的量子化学计算结果也表明吸附时主要是羧基、磺酸基、磷酸基上相关O原子及N原子对金属离子的静电吸引与螯合作用。采用多元线性回归法,研究了单组分溶液下中四类吸附树脂分别对重金属离子的最大吸附量的预测模型。模型结果表明吸附树脂对金属离子的吸附量具有某些共同的影响因素。在吸附过程中,对金属离子自身特性而言,受到电负性Xm、离子半径AW、第一电离水解常数|log KOH|等因素的共同影响。对吸附树脂而言,受活性位点上相关基团原子和重金属离子自身静电势电荷及福井函数的影响。对重金属离子来说,重金属离子自身的共价指数越高,福井函数值越大,在吸附树脂上的吸附容量就越大;吸附树脂活性位点上相关原子与金属离子间的静电势电荷差值越大,对金属离子的吸附量越大;吸附树脂活性位点上相关原子福井函数值越大,与重金属离子的相互作用越强,吸附树脂对吸附容量越大。各模型使用同类型离子树脂进行验证,实验结果落在预测区间内,模型具有较好的预测性。采用主成分回归分析方法,对二元组分溶液中金属离子竞争吸附进行了模型分析。在二元组分溶液中,对竞争吸附而言,由于选择性系数与重金属离子浓度、p H、温度等多种因素相关,因此与描述符无法建立良好的线性关系。通过主成分回归分析发现吸附树脂对离子的选择性大小与金属离子的原子量AW、共价指数Xm~2r等主要因素相关,与单组分溶液中对吸附量的影响规律具有一致性。
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