软配位基重金属吸附材料的制备及性能研究

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我国的工业生产在近年得到了快速的发展,但由此带来的污染问题也日益严重。尤其是重金属离子污染严重威胁了饮用水的安全,因而设计对重金属离子具有高亲和能力的吸附剂具有很强的现实意义。根据软硬酸碱理论,重金属离子一般属于软酸,能够与软碱优先结合形成稳定的配合物。含有N、S两种配位原子的二硫代氨基甲酸基团(DTC)能够与大部分的重金属离子形成稳定常数很高的螯合物,但却不与碱金属以及碱土金属离子螯合,故该基团能够选择性的回收废水中痕量的重金属离子。我们以DTC基团为核心结合不同的材料制备了三种软配位基的重金属吸附剂,并利用FTIR、TGA、BET、SEM、TEM、XPS等方法表征分析了各吸附剂的形貌和成分,并以铅离子为目标污染物,探究了pH、吸附时间、初始离子浓度以及温度等因素对各吸附材料性能的影响,具体工作如下:(1)以储量丰富、价格低廉的玉米秸秆为原料,与聚乙烯亚胺进行交联后再与二硫化碳反应,制备了生物质吸附剂(CSDTC)。CSDTC的比表面积为36.74 m2/g,具有良好的亲水性,聚乙烯亚胺所具有的支链结构能够使生成的DTC基团致密的分布在中空的纤维素管表面,对铅离子的饱和吸附量高达526.15 mg/g。该材料适用于pH>2.5的水相环境中,能够在20 min内达到吸附平衡,具有吸附速率快、去除率高等优点。CSDTC的吸附过程吸附过程符合Langmiur吸附等温线、拟二级动力学模型,主要以表面吸附和化学吸附为主。(2)以化学性质稳定、孔隙率高的MOFs材料(UiO-66-NH2)为原料直接与二硫化碳反应制备了MOF吸附剂(UiO-66-DTC)。该材料合成方法简单,且保留了MOFs材料分散性高、孔隙率大的特点。该材料适用于pH>2.5的水相环境中,对铅离子的饱和吸附量高达689.47 mg/g,并能够在30 min内快速达到吸附平衡,吸附过程主要以表面吸附和化学吸附为主。UiO-66-DTC对各重金属离子均具有很强的吸附能力,在经过六次吸附循环后仍保持80%以上的吸附能力。(3)以比表面积巨大、官能团丰富的片状氧化石墨烯(GO)为原料与聚乙烯亚胺进行交联,再与二硫化碳反应制备了石墨烯吸附剂(GODTC)。聚乙烯亚胺含有大量的氨基支链,能够与多个片状氧化石墨烯相互交联,形成孔隙丰富的三维材料。巨大的比表面积为快速高效的吸附提供了平台,对铅离子的饱和吸附量高达482.36 mg/g,吸附过程主要以表面吸附和化学吸附为主。通过XPS和EDX等检测手段,探究了DTC基团与铅离子的配位方式,铅离子取代掉DTC基团中的钠离子,并与两个DTC基团形成稳定的正四面体螯合结构。上述三种软配位基重金属吸附剂均具有很高的吸附容量和快速的吸附速率,证明选择合适的载体材料更能将DTC基团的吸附性能突显出来。
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