聚丙烯酸微球的制备及重金属离子吸附性能研究

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水生动植物是人类餐桌上不可缺少的食物来源之一,随着我国工农业及食品制造业的迅速发展,水体受重金属污染的现象已经日益严重,对人类的身体健康及生态系统带来了不同程度的污染和危害。水体状况会严重影响对水生动植物的生存环境,重金属会由于食物链的富集作用而进入人体,对人体造成了不可逆转的慢性伤害。因此必须采取快速简单且经济的方法除去重金属离子污染物。吸附法是最为常见的处理重金属污染的方法之一。而高分子共聚物,由于其具有灵活的化学组成和丰富的表面官能团,因此在重金属吸附的研究中获得了越来越多的关注。本文以聚乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂,在合成吸附剂聚合物的过程中将金属螯合剂作为配体掺入其中。利用所合成的聚丙烯酸微球的优良的吸附性质,实现了对水溶液中的特定金属离子的高效吸附。本论文采用几种不同比例的交联剂合成聚丙烯酸微球,制备出的新型聚丙烯酸微球具有单分散性,且粒径均匀,比表面积大。并利用多种手段表征了吸附剂的结构形貌及表面性质,如扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱分析(XPS)和Zeta电位仪等。同时测定了聚丙烯微球吸附剂对铜离子和铅离子的吸附量,本文主要研究了一些外界因素如溶液的pH值、吸附反应时间、吸附剂初始浓度、反应温度对金属离子吸附性能的影响;同时利用吸附等温模型和动力学模型对吸附实验的数据进行了计算与讨论。主要的研究结果如下:1.使用聚乙二醇甲基丙烯酸酯为基质,以含有能够形成金属络合物的胺基的1-乙烯基咪唑基团为配体,使用沉淀聚合法将配体插入聚乙二醇结构中,获得含有官能团的聚丙烯酸微球。根据扫描电镜观察,交联剂与引发剂比例为2.0:0.8条件下合称的微球具有更好的形貌特征。该聚丙烯酸的微观形态呈球形,表面褶皱度高,比表面积大,粒径均匀,多分布在1.2-1.4μm的范围内。表面粗糙多孔,含有大量的接触位点,有利于吸附反应的进行。2.通过傅里叶变换红外光谱及XPS光谱的数据分析可知,聚丙烯酸微球吸附重金属的主要机理在于金属离子与微球表面的含氧官能团络合。Zeta电位则显示该合成的纳米微球表面带正电,说明在吸附过程中,静电作用的影响可忽略不计。3.溶液pH会对吸附剂的吸附过程产生很大的影响,因为吸附剂与吸附质上的表面电荷受到pH的影响,同时也影响水溶液中吸附质如金属离子的离子化程度及形态。Cu(Ⅱ)在高pH的情况下吸附量激增,达到了83.21 mg g-1。pH较低的情况下,聚丙烯酸微球对金属离子的吸附能力极低。通过实验可以得出聚丙烯酸微球对Cu(Ⅱ)在pH为5的时候吸附量最大。4.聚丙烯酸微球对Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的吸附均满足Langmuir和Freundlich吸附等温方程,计算得出的理论值接近金属离子吸附过程的实际值,说明了聚丙烯酸微球对这两种金属离子的吸附均为单层吸附;1/n的值为0.36-0.68之间,说明了聚丙烯酸微球吸附剂对铜离子与铅离子的吸附是比较容易进行的;且该吸附剂对铜离子的吸附容量要远大于铅离子。5.Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)在聚丙烯酸微球上的吸附更符合准二级动力学模型的描述。初始反应速率快,反应在2到3 h之后逐渐趋于平衡。Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)在聚丙烯酸微球上的吸附过程中的反应速率主要是由化学反应控制的。6.聚丙烯酸微球对Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的在实际样品中的饱和吸附量分别为68.38mg g-1和20.46 mg g-1。与其他吸附剂材料相比,它的吸附容量大,实用性好。
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