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基于高分子微球的分离技术在许多领域展现出广阔而诱人的应用前景,如环境领域、生化分离、催化剂制备等。然而,目前高分子微球的制备和应用研究主要还局限在实验室分析和医疗诊断规模,将其发展到环境领域的大规模分离纯化还面临着许多问题和挑战,集中体现在如何制备性能优良的高分子微球,实现规模化生产,降低生产成本;如何提高高分子微球的表面功能基团的含量及高分子微球的吸附容量等方面。
针对上述问题,本文系统的开展了高分子微球的制备、渗磁制备磁性高分子微球、表面功能化修饰及其在脱除废水中Cr(Ⅵ)的研究工作。主要取得了以下几个方面的创新性研究结果:
(1)采用分散聚合法在不同条件下合成PGMA高分子微球,寻求最合适的操作条件,合成单分散的、粒度均一的微米级高分子微球。并且通过扫描电镜(SEM)和傅立叶变换红外光谱(FTIR)对其粒径、形貌、结构、组成进行表征。
(2)通过对单分散的PGMA高分子微球进行表面修饰,制备了四种高分子微球,第一是采用渗透沉积法合成单分散的磁性PGMA-NH2高分子微球。第二是采用铈盐引发接枝聚合生成的单分散的、表面富含“须状”氨基高分子链的g-PGMA-NH2高分子微球。第三是采用不同分子量的PEI氨解获得的PGMA-NH2高分子微球。第四是采用不同粒径的高分子微球,氨解开环反应后得到的高分子微球。并且分别通过扫描电镜(SEM)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)三种方法进行高分子微球粒径、形貌、结构、组成和磁性能等的表征。
(3)在此基础上,着重研究了磁性PGMA-NH2高分子微球以及表面富含“须状”PEI氨基高分子链的g-PGMA-NH2高分子微球对于Cr(Ⅵ)的吸附性能及吸附机理。结果表明:
磁性PGMA-NH2高分子微球对Cr(Ⅵ)有较高的吸附量,等温吸附数据符合Langmuir模型,在T=298.15 K,pH=4.5时,吸附剂的饱和吸附容量为263.16 mg/g。吸附量与废水中Cr(Ⅵ)的离子形式有关,pH=1.5时吸附效果最好,在15 min内达到平衡。吸附以离子交换与静电引力为主,自发进行,焓变△H°=9.63 kJ/mol。
表面富含“须状”氨基高分子链的g-PGMA-NH2高分子微球对Cr(Ⅵ)有较好的吸附效果。结果显示:等温吸附数据符合Langmuir模型,在T=298.15 K,pH=4.5时,吸附剂的饱和吸附容量为500.00 mg/g。吸附量与废水中Cr(VI)的离子形式有关,pH=1.5时吸附效果最好,在30 min内达到平衡。吸附以离子交换与静电引力为主,自发进行,焓变△H°=3.61 kJ/mol。
根据Langmuir模型计算所得PGMA-PEI600,PGMA-PEI1800和PGMA-PEI10,000高分子微球的饱和吸附含量分别为333,370和400 mg/g。对于Cr(Ⅵ)的吸附1 h左右达到平衡。
在不同粒径的PGMA高分子微球表面氨解开环反应得到的PGMA-NH2-1和PGMA-NH2微球的饱和吸附含量,分别为370和303 mg/g。吸附平衡时间均为15分钟。
上述结果均表明:本文中制备的高分子微球吸附效果较好,可以大幅提高吸附量,是具有潜力的材料,有望在今后的纯化分离中广泛应用。