柠檬酸改性β-环糊精修饰的壳聚糖吸附材料的制备及对染料与重金属的吸附性能研究

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印染废水是目前国内外公认的难处理工业废水之一。印染废水中除含有大量染料外,还可能含有高毒的重金属离子。这些印染废水排放到自然水体中,导致诸多生态及环境问题。在众多印染废水处理方法中,吸附法具有易于操作、设备简单、效果好等优点,是目前工业处理印染废水最常用的方法之一。但是传统吸附剂如活性炭、天然矿物、固体废弃物、合成树脂存在制备成本高、吸附容量低、及不可再生等问题,因此开发一种兼具低成本、稳定、高效、环保的吸附剂具有十分重要的意义。壳聚糖(CS)基吸附材料具有廉价、可再生以及易于修饰的优点已经广泛应用于废水处理。然而,壳聚糖的酸溶性限制了其在酸性废水处理中的应用。本文采用柠檬酸改性的β-环糊精(CA-CD)交联剂增强壳聚糖,制备了一种可回用的生物基绿色吸附材料CA-CD/CS。首先将柠檬酸与β-环糊精在次亚磷酸钠(SHP)的催化下酯化得到一种富含羧基的交联剂CA-CD,再采用溶胶凝胶法将不同配比的CA-CD与壳聚糖在1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(EDC)/N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)催化下进行交联,制备得到CA-CD/CS。用傅里叶红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)以及热重分析(TG)对CA-CD/CS进行了表征,并对其进行了压缩强力测试。以水解活性蓝49(HRB49)作为模型分子,研究了CA-CD/CS的染料吸附性能。实验采用静态吸附法,首先确定了平衡吸附时间,并探讨了材料中CA-CD含量对吸附性能的影响。结果表明,室温下,CA-CD/CS对HRB49的吸附在24 h达到平衡;含有20%CA-CD的CA-CD/CS吸附材料对HRB49的平衡吸附量达到最大值为485 mg/g;CA-CD/CS对HRB49的吸附符合准二级动力学吸附模型,相关系数R2为0.996,说明CA-CD/CS对HRB49的吸附以化学吸附为主;此外,CA-CD/CS对HRB49的吸附符合Langmuir吸附等温模型,R2为0.998,说明CA-CD/CS对HRB49的吸附主要为单分子层吸附。针对实际染色残液中有大量促染盐和表面活性剂与染料共存,本文考察了离子强度、表面活性剂等因素对CA-CD/CS吸附HRB49的影响。结果表明,高离子强度(NaCl)会影响CA-CD/CS对HRB49的吸附,当NaCl浓度为2 M时,CA-CD/CS对HRB49的饱和吸附量降低9.5%;阴离子表面活性剂与非离子表面活性剂也会对吸附产生不利的影响。其中以阴离子表面活性剂的影响最为显著,当皂片浓度为0.4 M时,CA-CD/CS对HRB49的饱和吸附量下降20%;回用性实验结果显示,CA-CD/CS经洗脱染料后再循环使用六次后,仍能对HRB49保持大于80%的去除率;CA-CD/CS对真实染色残液中的水解活性黄176(HRY176)、水解活性翠蓝(HRB14)、水解活性黑5(HRB5)和水解活性红141(HRB141)的去除率均高于90%,说明CA-CD/CS可适用于不同化学结构的活性染料。本文还研究了CA-CD/CS吸附剂对印染废水中可能存在的重金属离子Pb2+、Cu2+和Cd2+的吸附。在确定平衡吸附时间后探讨了CA-CD/CS添加量以及pH对上述重金属离子去除效果的影响。结果表明:CA-CD/CS对上述三种重金属的吸附均在2 h内达到平衡;在pH=2-6的范围内,CA-CD/CS对Pb2+、Cu2+以及Cd2+的平衡吸附量随pH升高而增大,并在pH为6时达到最大值,分别为85.487 mg/g、71.23mg/g、22.158 mg/g;吸附了重金属离子的CA-CD/CS经洗脱后再循环使用六次,饱和吸附量几乎不变。CA-CD/CS在印染废水以及重金属废水的处理中表现出优异的再生性能,稳定性好,可在较宽的pH范围使用,是一种非常具有潜力的染料以及重金属离子吸附剂,对真实印染废水和重金属离子废水的处理具有实际应用意义。
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