β-环糊精复合材料制备及吸附性能研究

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开发高效去除废水中污染物的方法具有重要意义。吸附法具有去除效率高、操作简单、可重复利用等优势,是最有效的去除废水中污染物的方法之一,其中高性能吸附材料的研发是相关领域的研究热点。β-环糊精(β-CD)具有外部亲水、内部疏水的特殊空穴结构,可与不同的化学物质产生特异相互作用,常直接用于吸附材料表面改性。而修饰后β-CD改性硅胶和Fe3O4得到的β-CD复合吸附材料研究少有报道。本论文设计制备了温度敏感和磁响应的β-CD复合吸附材料,对材料吸附性能和机理进行了研究。研究结果对吸附材料开发及污染治理有重要参考价值。论文主要研究内容与结论如下:(1)温敏聚N-异丙基丙烯酰胺/β-CD/硅胶复合材料(PNIPAM-β-CD@SiO2)制备及温敏性能研究。首先β-CD通过酯化反应与顺丁烯二酸酐反应引入双键,然后与NIPAM发生聚合反应,得到的温敏β-CD聚合物再与KH-560改性的二氧化硅反应,得到温敏β-CD硅胶复合材料(PNIPAM-β-CD@SiO2)。利用扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱、热重分析等方法对PNIPAM-β-CD@SiO2的理化性质进行表征,研究了材料的温敏性。结果表明:环糊精和温敏聚合物被成功键合到硅胶表面,在硅胶上所接枝的有机物含量达到了33.53%。温敏β-CD聚合物的温敏性质明显,反应原料NIPAM和β-CD配比影响聚合物的最低临界溶解温度。研究了PNIPAM-β-CD@SiO2对亚甲基蓝(MB)的吸附性能,通过单一变量实验研究了PNIPAM-β-CD@SiO2在吸附过程中的影响条件。结果表明:材料的吸附性能受到材料温敏性的影响,最佳吸附条件为:pH=11,初始浓度为50 mg/L,吸附剂投加量为10 mg(温度:20℃),1 h达到吸附平衡。通过Langmuir模型拟合的最大吸附容量为121.17 mg·g-1,吸附符合准二级动力学模型。经过5次循环吸附后,PNIPAM-β-CD@SiO2对MB的去除率依旧可以达到最初的86.30%。(2)探讨了壳聚糖(CS)/β-CD/四氧化三铁吸附剂(CS-β-CD@MNPs)的制备方法,考察了在制备的过程中不同交联剂,不同的β-CD/壳聚糖与四氧化三铁的比例以及不同的交联时间对合成的CS-β-CD@MNPs吸附性能的影响。结果表明,以EDTA-2Na作为交联剂,四氧化三铁与CS-β-CD的比例为5:1,交联时间为4h时制备的CS-β-CD@MNPs吸附效果最好。最后利用傅里叶红外光谱仪、振动磁强检测计和扫描电子显微镜等对CS-β-CD@MNPs结构形态进行了分析。(3)以CS-β-CD@MNPs作为吸附剂,重金属离子Cr(Ⅵ)和染料分子甲基橙(MO)作为目标污染物,考察了实验条件对吸附的影响。结果表明在pH=3,初始浓度为150 mg/L时,利用Sips模型拟合的CS-β-CD@MNPs对Cr(Ⅵ)的最大吸附容量为174.059 mg·g-1;在pH=4,MO初始浓度为150 mg/L时,通过Sips模型拟合的CS-β-CD@MNPs对MO的最大吸附容量为307.357 mg·g-1。
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