电喷雾制备功能化壳聚糖微球吸附去除水中污染物及机理研究

来源 :南昌航空大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:luozd
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现代工业中排放的染料废水和含铬废水具有毒性、致畸性和致癌性等严重危害,对生态平衡和人类健康构成严重威胁。因此,寻找能够快速有效并且廉价的吸附去除废水中污染物的吸附剂是人类社会可持续发展的关键。壳聚糖是一种广泛存在且廉价易得的生物大分子,且含有大量的氨基和羟基,能有效对污染物进行吸附。采用合适的制备技术、交联方式和修饰方法能有效提高壳聚糖材料的机械强度、可回收性能、吸附容量和选择性吸附性能。在本研究中,采用了电喷雾技术、席夫碱反应保护氨基、环氧氯丙烷交联、氯乙酸修饰和酸处理对氨基脱保护等策略制备了不同的功能化壳聚糖微球用于吸附水中污染物。此外,对微球的形貌结构进行了表征,并对吸附容量、吸附动力学、吸附等温线、再生性能及其吸附机理进行了研究,这为壳聚糖基吸附剂的开发和应用提供了思路。主要研究内容如下:(1)氨基保护的壳聚糖微球(AP-CS)依次通过电喷雾技术、席夫碱反应保护氨基、与环氧氯丙烷交联和简单的酸处理对氨基进行脱保护被合成。此外,也制备了未氨基保护的壳聚糖微球(CS)、戊二醛交联壳聚糖微球(G-CS)和氨基保护的壳聚糖珠(AP-CS-B)作为对照样品。采用光学显微镜、Zeta电位、傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)、热重分析(TGA)对材料进行表征。实验表明,AP-CS对甲基橙(MO)的吸附量达到1235.5 mg/g(p H=4,T=303 K),远高于以往壳聚糖基材料,且再生性能优异。FTIR分析证实质子化氨基是MO吸附的主要吸附位点,提出了AP-CS对MO的吸附机理。AP-CS脱保护前后的有机元素含量和离子交换容量(ICE)进一步证实了AP-CS中氨基的有效保护可以增加MO的吸附容量。此外,通过密度泛函理论计算(DFT)计算了质子化伯胺和仲胺在MO上的吸附能。结果表明,伯胺对MO的吸附能大于仲胺。因此,更多的伯氨基是获得更高吸附性能的关键。(2)通过对AP-CS接枝制备了氨基保护的羧基化壳聚糖微球(AP-CS-CA),并通过光学显微镜、FTIR、Zeta电位以及X射线光电子能谱(XPS)对材料进行表征。研究了初始p H、吸附时间和吸附温度对吸附性能的影响,并且探究了在混合染料中选择性吸附MO和亚甲基蓝(MB)的情况。结果表明,AP-CS-CA-4对MO和MB的最大吸附量分别达到919.4 mg/g(p H=4,T=303 K)和276.5mg/g(p H=11,T=303 K)。此外,在p H的调控下,AP-CS-CA-4对混合溶液表现出良好的选择性吸附性能。通过吸附机理分析发现,其选择性吸附性能主要来源于在不同p H下材料表面质子化的-NH2和和去质子化-COOH对阴/阳离子的静电作用。(3)CS、AP-CS和AP-CS-CA-4和制备的羧基化交联壳聚糖微球(CS-CA-4)用于Cr(VI)的吸附,并在303 K的吸附容量分别达到95.9、155.1、227.6和258.4 mg/g。壳聚糖微球对Cr(VI)的吸附结果表明,对壳聚糖的氨基保护和羧基化可以促进对Cr(VI)的吸附,并且可以减缓循环过程中吸附性能的快速下降。通过分析不同的壳聚糖微球吸附Cr(VI)前后的FTIR和XPS,揭示了伯胺和羧基能够与Cr(Ⅵ)更有效地产生静电作用和螯合作用。氨基保护和羧基化壳聚糖微球的制备策略对Cr(VI)污水的吸附材料的研发具有一定的借鉴作用。
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