论文部分内容阅读
本课题以甲基丙烯酸为聚合单体，采用溶液热诱导聚合/相转移技术，制备了改性聚偏氟乙烯离子交换膜(PMAA-PVDF)，优化了膜制备所用铸液的组成，表征了交换膜的热稳定性、化学组成、结构与形态，开展了其吸附水合态Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的研究，并应用密度泛函理论(DFT)从分子水平上揭示其吸附特性。本课题研究了溶液pH值、温度、反应时间、金属离子初始浓度等对改性PVDF离子交换膜吸附Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)性能的影响，分析了其吸附过程的动力学和热力学，评价了其再生性能。在实验研究的基础上，应用溶剂化密度泛函理论(DFT-COSMO)，解释了交换膜吸附Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的特性。TG-DSC测试结果表明改性PVDF离子交换膜具有良好的热稳定性能，FTIR结果表明羧酸官能基团被成功接枝到改性PVDF膜中，XRD研究表明甲基丙烯酸的引入没有改变改性PVDF膜的晶体结构。吸附研究表明改性PVDF交换膜对Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的吸附性能优良，交换膜对Cu(Ⅱ)吸附容量高于Ni(Ⅱ)；交换膜吸附动力学和等温吸附过程较好地符合准二级动力学反应方程和Freundlich等温吸附模型；吸附过程的热力学参数ΔG0<0、ΔH0<0，表明该吸附过程为自发的放热反应；吸附/脱附实验表明改性PVDF分离膜具有较好的再生利用性能。溶剂化DFT计算结果表明，PMAA-PVDF离子交换膜对Cu(Ⅱ)的吸附结合能大于Ni(Ⅱ)，这与吸附实验结果相一致。Cu(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)与PMMA-PVDF离子交换膜配位时，会脱除其结合的水分子。由于交换膜的空间位阻效应和配位氧原子的斥力作用，Cu(Ⅱ)与PMMA-PVDF离子交换膜可形成配位数为2、3和4的配体结构，Ni(Ⅱ)与PMMA-PVDF离子交换膜可形成配位数为3、4、5和6的配体结构。