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吸附法在废水处理尤其是低浓度废水处理中具有显著的优势,寻求和开发价廉、高性能的新型吸附材料是吸附法发展的关键。活性炭是一种高效的吸附剂,但其价格较高限制了其广泛应用。聚苯胺分子具有独特的阴离子掺杂与脱掺杂功能,以及分子链中含有大量的胺基与亚胺基,使其对重金属离子和阴离子染料都具有较强的作用力。本文以合成的聚苯胺及其复合材料为吸附剂,系统地研究了聚苯胺基吸附剂对水中重金属离子和染料的吸附性能,为聚苯胺基吸附剂的实际工业应用提供理论依据。 首先研究了聚苯胺基吸附剂的制备工艺。以过硫酸铵为氧化剂,采用化学氧化聚合法在苯胺的盐酸溶液中合成聚苯胺。综合考虑产物产率及与吸附性能有关的导电率和分子量等因素,得到最优合成条件为:盐酸1mol/L,苯胺与过硫酸铵摩尔比为1,反应时间5h。并采用FT-IR、BET-N2吸附、XRD、XPS等现代分析检测技术对聚苯胺进行了表征。 聚苯胺颗粒的粒径较小,吸附过程中产生的压强降较大,不能直接应用于固定床或其它流动系统。为了获得廉价高效、能用于动态吸附系统的聚苯胺吸附剂,需要将聚苯胺与其它材料复合使用。选用廉价的锯末作为聚苯胺的支撑材料,采用原位聚合共混法制备聚苯胺/锯末复合吸附剂。 通过静态吸附实验,研究各种因素(pH、吸附时间、温度、吸附质浓度等)对聚苯胺基吸附剂吸附重金属和染料的影响,并对吸附剂的解吸与再生进行了实验。通过动态吸附实验,研究动态吸附时吸附质溶液流速、初始溶液浓度和吸附柱高度对吸附性能的影响。 静态吸附实验结果表明,聚苯胺基吸附剂对水溶液中以阳离子形式存在的Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)、以阴离子形式存在的Cr(Ⅵ)和阴离子染料均有一定的吸附能力,pH值对吸附能力的影响较大,可通过加入酸或碱改变体系的pH值而使吸附剂解吸。吸附热力学研究结果表明,吸附能力随着温度的升高而增大,过程焓变为正值,说明吸附过程是吸热的,过程的吉布斯函数变为负值,即吸附过程是自发进行的。 动态吸附实验得出流入吸附柱的初始溶液浓度、吸附柱的高度和流入液的流速对穿透曲线的形状都有影响。柱高越小,初始浓度越大和流速越快,吸附柱达到饱和的时间越短,其吸附量也随之减小。 对聚苯胺基吸附剂的吸附等温线、动力学和动态吸附过程进行模型分析。等温模型分析结果表明,聚苯胺基吸附剂对几种吸附质的吸附等温线符合Langmuir和Temkin等温线模型。由Langmuir等温线模型计算出Cu(Ⅱ)和酸性蓝74染料的最大吸附能力分别为208.77mg/g和123.3mg/g。利用多种动力学方程式探究了聚苯胺基吸附剂的吸附反应动力学。研究结果显示吸附质的吸附过程是由液膜传质和颗粒内扩散两个过程联合控制,吸附动力学符合准二级动力学模型。确定了聚苯胺基吸附剂固定床吸附柱动力学数学模型,且计算了不同操作条件下的穿透曲线。聚苯胺基吸附剂动态吸附Cu()Ⅱ和阴离子染料酸性蓝74的过程符合Thomas和Yoon-Nelson模型,并可用BDST模型对不同情况下的吸附工作时间进行预测。 聚苯胺对重金属和染料的吸附机理为:对溶液中以阴离子形式存在的Cr(Ⅵ)和阴离子染料的吸附主要是通过离子交换吸附,即吸附质离子与聚苯胺中掺杂的酸根离子发生离子交换反应;对Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附主要通过聚苯胺分子链中的氮原子与带正电的金属离子相互作用。