聚酰胺胺功能化材料的制备及其对铅离子的吸附性能研究

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工农业污水和生活污水的排放造成了食用饮用水的短缺,其中重金属铅离子超标问题尤为突出。废水中铅离子具有很强的毒性、环境持久性和生物富集性,对生态系统和人类健康构成严重威胁。从受污染的水中摄入铅会导致神经和大脑损伤,以及对其他器官的长期损害。因此,需要有效的水处理技术将水资源中的铅离子降低到微量水平。目前,吸附分离法因为操作简单、成本低廉和不易产生二次污染而被广泛应用于废水重金属铅离子的常规处理。但活性碳、小分子的有机物和生物吸附剂等常见的吸附剂普遍存在着选择性差、吸附容量低以及等温吸附平衡时间久等缺点。树枝状功能高分子是一种人工合成的、具有高度支化三维结构和独特的单分散性的新型高分子,因而在生物医药、材料改性、工业催化、石油工业等领域有着良好的应用前景。其中聚酰胺胺树状大分子由于其精确可控的结构、较好的单分散性以及生物相容性受到科学研究者的关注。相较于小分子的有机物,聚酰胺胺表面含有大量的胺基官能团;相比线型聚合物而言,聚酰胺胺分子内部存在空腔且分子表面活性位点多,有利于螯合基团的引入,这些空腔和胺基官能团容易实现对重金属离子的包埋和束缚。因此,将聚酰胺胺应用于吸附领域能够大大提高对重金属离子的吸附效率,聚酰胺胺功能化材料应是理想的功能吸附材料。本论文以铅离子为目标物,通过树枝状大分子聚酰胺胺(PAMAM)改性并结合磁分离、纳米复合修饰、膜分离等技术,制备出树枝状大分子聚酰胺胺接枝的磁性埃洛石纳米管、树枝状PAMAM修饰的磁性氧化石墨烯、树枝状PAMAM共混的聚偏氟乙烯(PVDF)膜,应用于处理水污染中的重金属铅离子。(1)合成不同代数的端炔基聚酰胺胺:通过迈克尔加成反应,将丙烯酸甲酯与炔丙胺合成得到端炔基聚酰胺胺(PAMAM-G0.5),接着将PAMAM-G0.5与乙二胺反应合成得到端炔基聚酰胺胺(PAMAM-G1.0)。如此交替合成出不同代数的端炔基聚酰胺胺,直到端炔聚酰胺胺(PAMAM-G3.0),并对每代的产物进行1H NMR,13C NMR和质谱表征分析。(2)利用巯-炔点击化学,将所制备的端炔基聚酰胺接枝在磁性埃洛石上,制备得到聚酰胺胺修饰的磁性埃洛石纳米管(MHNTs-PAMAM),并用于吸附重金属离子Pb(Ⅱ)。通过FE-SEM、TEM、XPS、FT-IR、TGA等手段对合成的MHNTs-PAMAM进行表征,分析其结构和性能。在磁性埃洛石纳米管上接枝聚酰胺胺的接枝率达到6.1wt%,足以保证复合物表面有足够的活性吸附位点。考察pH、温度等因素对吸附量的影响。研究结果表明,随着接枝PAMAM代数的增加,材料的官能团密度和吸附能力也逐渐增大,接枝第三代聚酰胺胺的纳米管对Pb(II)的最大吸附能力高达194.4mg g-1。吸附动力学与拟二阶方程、分子内扩散模型吻合较好,且平衡数据足够可以用Langmuir等温线来描述(R2=0.940)。(3)通过传统的方法将石墨烯氧化,再利用生物仿生的原理将聚酰胺胺修饰在多巴胺改性的磁性氧化石墨烯的表面,制备出聚酰胺胺修饰的磁性氧化石墨烯(MGO-PAMAM)。利用TEM、XPS、FT-IR等手段确定合成的MGO-PAMAM的结构,能够有活性位点去吸附重金属离子;考察pH值、温度、初始浓度、静置时间、吸附剂用量等因素对吸附量的影响,最佳的吸附量为206.2 mg g-1。利用拟二阶动力学模型能很好的拟合动力学曲线;利用Langmuir等温模型更能描述MGO-PAMAM对铅离子的吸附平衡过程(R2=0.955)。(4)以PVDF粉末为基质,添加PAMAM聚合物,共混制得PVDF/PAMAM共混膜。利用SEM表征膜表面掺杂大量的PAMAM;XPS、FT-IR等表征PVDF/PAMAM共混膜;并进行了静态吸附实验,考察pH值、温度、初始浓度、静置时间、吸附剂用量等因素对吸附量的影响,最佳的吸附量为38.5 mg g-1。拟二阶动力学模型能很好的拟合动力学曲线;利用Langmuir等温模型描述PVDF/PAMAM对铅离子的吸附平衡过程(R2=0.996)。
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