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磁性高分子复合材料的制备及对Cr(VI)的吸附性能研究
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Preparation of Magnetic Polymer Composite and Its Adsorption Properties for Cr(VI)
作者: Sun XT(孙西同)
学位类别: 博士
答辩日期: 2015-03
授予单位: 中国科学院研究生院
导师: 刘会洲
关键词: 吸附 ; 含Cr(VI)废水 ; 磁性高分子微球 ; 生物吸附剂 ; 电镀废水
学位专业: 生物化工
中文摘要: 大量剧毒、致癌的含Cr(VI)工业废水的超标排放,给人类和环境带来了巨大的危害。吸附法作为一种有效的含Cr(VI)废水处理方法,具有设备简单、操作简便、金属离子可以回收、吸附剂可以循环使用等优点。但传统的吸附工艺不易进行连续化操作,且容易产生沟流等问题,限制了生产效率。磁性分离技术由于具有分离简单快速、易于连续化和处理效率高等优点,可有效解决传统工艺存在的不足。磁性分离技术的基础是制备磁性分离材料。已报道的Cr(VI)磁性吸附剂主要为适用于较低pH的弱碱性材料,且普遍存在吸附量低、吸附速率慢、磁性能与吸附性能不对称、磁核耐酸性差、机理研究不深入以及实际体系未见报道等问题。针对以上问题,本论文从吸附性能的影响因素探索、高吸附性能常规吸附剂的开发、强碱与弱碱性阴离子吸附剂的吸附机理研究、合成及天然高分子基强碱性与弱碱性磁性吸附剂的开发、模拟与实际体系的Cr(VI)吸附性能等方面入手,开展了磁性吸附法处理含Cr(VI)废水的应用基础研究。 首先制备了两种在粒径、孔隙率、比表面积、氨基含量等性质上具有明显差异的乙二胺(EDA)功能化微米级和毫米级聚甲基丙烯酸缩水甘油酯微球(PGMA-EDA)。通过对比两者的吸附速率和吸附量,发现微米级微球均明显优于毫米级微球。说明减小材料的粒径与减少孔隙结构可以有效降低内扩散作用,提高吸附速率。而提高吸附剂有效基团的含量对提高吸附量更有利。此外,伯、仲胺的吸附性能明显高于叔胺,说明伯、仲胺含量丰富的多胺类试剂是理想的修饰试剂。进一步在微米级PGMA-EDA的基础上,以氨基含量丰富的大分子聚乙烯亚胺(PEI)作为修饰试剂,制备了高吸附性能的PGMA-PEI微球。该微球氨基含量可达6.5 mmol/g,吸附量高达505.1 mg/g,且4 min内即可达到吸附平衡。针对150和50 mg/L的铬液,一次吸附脱除率为97%,两次吸附处理后,Cr(VI)的浓度可降至0.06 mg/L,三次吸附后可降至0.05 mg/L以下。 进一步以PGMA-PEI微球和甲基咪唑氯修饰的聚苯乙烯微球(Pst-MIMCl)作为多胺型弱碱性和强碱性阴离子吸附剂的模型,通过对比吸附解吸特性并结合Zeta电位、FT-IR、XPS等表征手段深入研究其吸附机理。实验结果表明弱碱性PGMA-PEI微球的吸附机理为静电吸引-氢键作用机理,吸附pH依赖性强,最适pH为2.0。强碱性Pst-MIMCl微球的吸附机理为静电引力辅助的离子交换作用机理,吸附pH依赖性弱,在pH 1.0-6.0均表现出较高的吸附量。 为了实现连续化磁性吸附处理Cr(VI)废水的目标,以PEI和甲基咪唑作为功能化试剂,以成本较低的聚乙烯醇(PVA)、聚苯乙烯(Pst)和性能较好的PGMA为磁性载体,利用改进悬浮聚合法和渗透沉积法制备了性能优良的磁性弱碱性(PGMA-PEI、PVA-PEI)和强碱性(Pst-MIMCl)阴离子吸附剂。三种微球均表现出超顺磁性,比饱和磁化强度分别为8.6、36.7和12.5 emu/g,最大吸附量分别为492.6、88.4和104.0 mg/g,吸附平衡时间分别为10、8和30 min。与文献对比发现,所制备的三种微球兼具有强的磁响应性、高的吸附容量和快的吸附速率等优点,尤以磁性PGMA-PEI微球的吸附量是目前文献报道的最高值。吸附Cr(VI)的磁性PGMA-PEI和PVA-PEI微球可被0.1 mol/L NaOH溶液有效洗脱,吸附Cr(VI)的Pst-MIMCl微球可被0.3 mol/L NaOH + 0.3 mol/L NaCl溶液有效洗脱。同时,三种微球均表现出良好的重复利用性。 为了提高磁性材料的磁核(Fe3O4)在弱酸性条件下的耐酸性,对其包覆SiO2保护层。首先通过改进方法制备了单颗粒包覆的磁性SiO2纳米颗粒,发现其在弱酸条件下(pH:2.0)的耐酸性得到了很大提高。通过对磁性SiO2纳米颗粒进行硅烷化修饰和引发接枝聚合修饰后,发现均未取得理想结果,主要是由于硅烷化过程中有机基团的接枝量低造成的。因此,首次以磁性SiO2纳米颗粒为核,以纤维素、壳聚糖等天然高分子为壳,利用溶胶凝胶法和乳液交联法制备了核-壳-壳形式的磁性天然高分子材料(Fe3O4@SiO2@CE、Fe3O4@SiO2@CTS)。进一步以EDA、PEI和环氧丙基三甲基氯化铵(GTMAC)作为功能化试剂,制备出弱碱性(Fe3O4@SiO2@CE-EDA、Fe3O4@SiO2@CTS-PEI)和强碱性(Fe3O4@SiO2@CTS-GTMAC)阴离子吸附剂。其对Cr(VI)最大吸附量分别为171.5、236.4和233.1 mg/g,其中Fe3O4@SiO2@CTS-PEI的吸附量是目前文献报道的磁性壳聚糖材料中的最高值。吸附平衡时间分别为10、60-120和40-120 min。此外,三种材料均表现出良好的重复利用性。 最后,将所制备的磁性高分子材料应用于实际电镀铬废水的处理,筛选出脱除率及金属离子选择性最优的吸附剂。Pst-MIMCl具有最佳的处理性能和良好的选择性。当用量为7 g/L时,经过一次吸附后,Cr(VI)脱除率高达99.7%,此时Cr(VI)浓度降至0.26 mg/L,低于国家排放标准(0.5 mg/L)。且吸附过程中仅有少量Fe3+发生了明显吸附。同时,通过将母液pH调至7.0可以有效解除其他重金属阳离子的吸附干扰。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/20344
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磁性高分子复合材料的制备及对Cr(VI)的吸附性能研究.pdf(9656KB)学位论文--暂不开放 联系获取全文

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孙西同. 磁性高分子复合材料的制备及对Cr(VI)的吸附性能研究, Preparation of Magnetic Polymer Composite and Its Adsorption Properties for Cr(VI)[D]. 中国科学院研究生院. 2015.
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