炭微球-涤纶纤维复合材料的制备及其在废水处理中的应用

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随着时代的发展,工业化进程也不断加快,生产过程中排出的有害重金属离子废水和生物难降解的印染废水日益增加。吸附法由于具有处理效率高、操作方便、无二次污染、材料成本低且能再生利用等优点,被广泛的应用于废水处理。纳米炭球的原料种类繁多,大多具有特殊的球形形貌,以及较大的比表面积和丰富孔道结构,在催化和吸附分离等众多领域具有广阔的应用前景。然而作为吸附剂用于废水处理的纳米炭球多为粉末或颗粒状,存在粒径小、易团聚、分离困难、堵塞设备、成本高等问题。废旧涤纶织物量多且具有良好的热性能、机械性能、稳定性和无毒性,可用于基质来负载纳米炭球,解决上述问题。因此,本文研究制备出一类环境友好型复合材料,对其物理化学性能进行检测表征,并模拟吸附处理废水应用。(1)制备葡萄糖炭-涤纶纤维复合材料并考察其对金属离子的吸附性能,主要考察了其对Pb(II)的吸附能力。以丙烯酸为交联剂,一步水热法制备出表面附有葡萄糖炭球的涤纶纤维纳米复合材料(GC@PFs)。保留了涤纶线的原始形态,合成的炭微球在涤纶纤维表面分布均匀,粒径0.51.5μm。复合纤维表面酸性基团总量为1.95 mmol/g,pHpzc在3.6附近。吸附试验中对Pb(II)的最大理论吸附量为20.2 mg/g(293.15K,pH=6.3)。吸附在180 min基本达到平衡,等温吸附过程更符合Freundlich吸附模型,与准二级动力学方程拟合度高。吸附剂用盐酸再生后,至少能循环三次使用,具有良好的吸附效果。(2)对葡萄糖炭-涤纶纤维复合材料合成步骤改进,在水热前对涤纶纤维进行皂化预处理。先将涤纶织物浸入NaOH水溶液中皂化,然后以丙烯酸为偶联剂,通过一步法水热碳化合成葡萄糖炭微球@涤纶纤维复合材料。结果显示,皂化后的纤维表面出现一些腐蚀坑,增大了纤维表面的粗糙度,为后续提供更多的附着位点。水热碳化后涤纶纤维表面生成的炭微球数量较多且分布广泛,基本呈单分散态。复合材料等电点的pH为2.4,能有效选择性吸附酸性废水中的阳离子染料。复合材料对ST的吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir等温线方程,在298.15K,pH=7时最大理论吸附量为35.48mg/g。经过10个再生循环后,吸附剂的染料去除率仍然大于85%。(3)制备磁性炭微球-涤纶纤维复合材料并考察其对染料的吸附性能。以葡萄糖酸亚铁为单一的炭源、铁源,水热合成磁性炭微球。将经过皂化和柠檬酸预处理后的涤纶材料置入磁性炭微球悬浮液,超声波振动制备出磁性炭微球@涤纶纤维复合材料。结果显示成功制备出有碳层包裹Fe3O4的磁性炭球,并且成功负载到涤纶纤维表面。探讨了染料初始浓度和温度对亚甲基蓝吸附量的影响,研究结果表明,293.15 K时复合材料对亚甲基蓝的吸附量可达30.30 mg/g。此外,实验数据可以用Langmuir方程和准二级动力学模型很好地描述,热力学参数△G<0和△H>0表明吸附是自发的吸热反应。五次循环吸附后,复合材料仍对亚甲基蓝具有70%的去除能力。
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