功能化枝状复合吸附材料的制备及吸附重金属Cr(Ⅵ)离子的性能研究

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重金属是一类毒性极强的污染物,难以被自然界分解,易被生物富集。随着石油化工燃料的开采,工业化程度逐渐提高,工业生产中的重金属废水有些未经处理被排入江河中,对水体环境造成了严重的污染。因此,为了保护生态环境,如何处理工业废水中的重金属将是水处理领域要面临十分严峻的难题。吸附法具有低成本、吸附效果好、易生产和绿色环保等优点,被广泛应用于重金属废水处理中。论文以介孔材料SBA-15、壳聚糖为研究对象,采用化学修饰方法制备得到功能化枝状复合吸附材料,并对其吸附溶液中重金属离子的吸附性能和吸附机理进行了系统的研究。得到的主要结果如下:以介孔材料SBA-15为原料,通过Michael加成反应和氨化反应制备树枝状复合功能吸附剂(SBA-15-G3)。通过实验表明吸附剂SBA-15-G3对水溶液中的Cr(Ⅵ)最佳吸附条件为pH=2.8,温度为25℃,最大吸附量为39.09 mg·g-1。Zeta电位谱图分析表明,SBA-15-G3在酸性条件下电位随着pH的降低而减小,这是由于吸附剂表面的大量伯胺和次氨基团与H+离子相互作用,易形成阳离子基,pH升高时溶液中H+减少,导致吸附剂表面阳离子基减少。FESEM和EDS表征结果表明,SBA-15并不含有N元素,而接枝改性后的SBA-15-G3吸附剂中N元素占比达到了11.98%,且分布比较均匀;SBA-15-G3的FT-IR表征表明在1560和3091 cm-1处吸收峰归属于-NH的弯曲振动和-NH2的伸缩振动。巯基对工业排放废水中的有毒有害重金属离子有较强的吸附作用。论文以介孔材料SBA-15为原料,在制备出接枝改性合成功能化枝状复合吸附剂(SBA-15-G3)的基础上,通过巯基乙酸对SBA-15-G3改性修饰,成功地引入巯基合成功能化枝状复合吸附材料SBA-15-G3-SH。SBA-15-G3-SH对水溶液中Cr(Ⅵ)的最佳吸附条件为pH=2.3,温度为25℃,最大吸附量可达到163.54 mg·g-1;实验数据通过等温线拟合和动力学数据拟合表明过程吸附过程符合Langmuir吸附模型和准二级动力学方程。Zeta电位谱图中SBA-15-G3-SH的电位随着pH值的升高而降低,主要是因为pH值升高导致溶液中H+减少,无法与吸附剂表面的氨基相互作用生成阳离子基。在FTIR图谱上可观察到在2500-2600 cm-1处有较大的峰值,其对应的是CH2-SH的伸缩振动峰;FESEM和EDS的表征结果表明,经巯基改性后的SBA-15-G3-SH吸附剂中,N元素和S元素分别占比为9.21%和2.03%;这些结果表明成功合成了富含-NH2和-SH的新型吸附剂SBA-15-G3-SH。本论文还对壳聚糖进行了改性,通过水热共沉淀形成磁芯,再经活化,将氨基固定在壳聚糖层表面,成功合成了回收简单、并有较好吸附性能的磁性壳聚糖吸附材料(HA-MG-CH)。吸附剂HA-MG-CH对水溶液中Cr(Ⅵ)的最佳吸附pH值为3.0,温度为25℃,最大吸附量为55.25 mg·g-1。在吸附后可通过磁铁分离回收,不会造成二次污染。吸附过程符合Langmuir吸附模型和准二级动力学方程。HA-MG-CH的FTIR谱在1570 cm-1处有一个强吸收峰,这是-NH的吸收震动峰,表明氨基已成功合成到HA-MG-CH上。在HA-MG-CH的XRD的图谱中,虽有较多杂峰,但几个主峰符合纯磁铁矿Fe3O4的XRD谱图,表明成功合成对Cr(Ⅵ)具有吸附能力的磁性吸附剂HA-MG-CH。
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