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近年来,镍-镉、镍-氢电池因其成熟的生产工艺、高电容量等优点在市场中的占比居高不下,在电池生产、回收等过程中均有金属镉、镍离子随废水排放,水中富集的镉、镍离子会对人体健康和生态环境造成巨大威胁,亟待开发一种经济、高效的方法深度去除电池废水中的镉、镍离子。吸附技术因操作简单、吸附产物稳定、适用于大规模废水处理而在重金属废水处理领域备受关注。玉米秸秆是常见的农业废弃物之一,其主要成分纤维素因具有优异的亲水性和大量的羟基,适合作为基体材料,可通过合理改性引入适当的功能基团进而获得具有良好吸附性能的重金属离子吸附剂。本文以玉米秸秆中提取的微晶纤维素(Cell)为基体,先通过接枝和交联作用对微晶纤维素进行化学结构改性,合成了接枝交联产物(Cell-g-GMA-c-MBA);在此基础上,进一步将接枝交联产物与胺化剂反应,最终获得了表面具有多种氨基基团的高吸附容量胺化改性产物(Cell-g-GMA-c-MBA-DETA),并运用SEM、FTIR、XRD等技术手段,明晰了各步改性对玉米秸秆纤维表面结构 与功能基团种类和含量的影响。以Cd(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)作为考察对象,研究吸附剂投加量、初始pH值、吸附时间、吸附温度等因素对改性纤维素吸附性能的影响。同时,通过FTIR和XPS表征以及相关吸附实验结果,推断出胺化改性吸附剂对两种重金属离子的吸附机理,并利用离子竞争吸附实验验证了相关机理的可靠性。主要研究结果如下:(1)以甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)为接枝单体,N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)为交联剂,过硫酸钾(KSP)为引发剂,二乙烯三胺(DETA)为胺化剂,将环氧基团和多种氨基基团成功引入纤维素结构中,制备出了 Cell-g-GMA-c-MBA以及Cell-g-GMA-c-MBA-DETA。通过单因素变量实验优化各步改性条件,得出在GMA与Cell的质量比为3:1、KSP浓度为20 mmol/L、MBA与Cell的质量百分比为5.0 wt%、在60℃下反应2 h的较优接枝交联条件下,Cell-g-GMA-c-MBA的接枝效率和环氧基团含量分别可达93.69%和4.96 mmol/g;在DETA投加量为80g、反应温度为50℃、反应时间为8h的较优胺化改性条件下,Cell-g-GMA-c-MBA-DETA中含氮基团含量可达7.20 mmol/g。(2)SEM分析表明接枝交联后Cell-g-GMA-c-MBA表面变得粗糙多孔且存在许多颗粒状聚合物,胺化后Cell-g-GMA-c-MBA-DETA表面有较多均匀孔隙和凸起的层片。FTIR分析表明GMA和MBA均已成功引入到纤维素骨架上,DETA通过环氧基团开环反应成功引入到Cell-g-GMA-c-MBA表面。XRD分析表明两步改性均会破坏纤维的晶体结构。(3)吸附性能考察结果表明,无论是Cell-g-GMA-c-MBA还是Cell-g-GMA-c-MBA-DETA均酸性条件下更有利于镉、镍离子的吸附,两种材料的最佳pH值分别为4和4.5。根据胺化改性纤维素的热力学和动力学研究可知,吸附过程均符合Langmuir模型且是吸热的,在45℃和pH=4.5时,Cell-g-GMA-c-MBA-DETA对镉、镍离子的最大吸附容量分别可达369.9 mg/g和321.2 mg/g。且均符合准二级动力学模型,吸附过程的控速步骤为化学吸附。再生结果表明,经过六次吸附-解吸循环,Cell-g-GMA-c-MBA-DETA对镉、镍离子的再生效率仍可保持在80%和82%,表明该吸附材料具有良好的重复性和稳定性。(4)通过对比分析两步改性材料吸附镉、镍离子前后的FTIR和XPS变化,可知胺化改性后引入的伯、仲、叔胺基是Cell-g-GMA-c-MBA-DETA中吸附Cd(Ⅱ)/Ni(Ⅱ)的最重要的活性位点。通过主要活性基团与Cd(Ⅱ)/Ni(Ⅱ)的最大吸附容量的摩尔比,推断出1 mmol Cd(Ⅱ)主要通过与胺化改性纤维素表面氨基基团中的2-3 mmol N原子形成稳定的螯合物而被吸附,而1 mmol Ni(Ⅱ)的吸附则需要至少1 mmol来自于氨基上的N原子来提供孤对电子并与之形成稳定的配位键。两种离子在相同吸附位上不同的吸附形式造成最终所得的胺化改性玉米秸秆纤维素对两种重金属离子的最大吸附容量不同,以上吸附机理可用于合理解释相关竞争吸附实验结果,进一步证明了所得吸附机理的可靠性。