磁性壳聚糖粒子的制备及其对典型重金属离子的吸附和磁回收性能研究

阅读量：

80

作者：

范春贞

展开

摘要：

随着工业的快速发展,有限的淡水资源已受到严重污染,其中,水体重金属污染已经成为亟待解决的污染问题之一.吸附法是一种简单高效的治理水体重金属污染的方法之一.在众多吸附剂中,磁性壳聚糖吸附剂兼具壳聚糖良好的吸附能力和磁性材料的可回收特性,是一种具有应用前景的吸附剂.目前,对于磁性壳聚糖对于重金属离子的吸附研究多集中在提高吸附剂的吸附量和选择性,但缺乏对其稳定性,综合评价和磁回收的相关研究.本论文针对这三方面进行研究.具体内容如下:首先,研究磁性壳聚糖粒子的稳定性,采用经典包埋法制备磁性壳聚糖粒子,并用戊二醛交联.通过磁滞曲线,温磁曲线,热重,傅里叶红外(FTIR)和X射线衍射(XRD)等表征方法对材料进行表征.研究了其对Cu~(2+)的吸附性能和多种条件下的稳定性,包括磁性和吸附性能的稳定性.同时,利用FTIR和XRD进一步分析了磁性壳聚糖粒子在各种条件下的官能团和晶型变化.结果表明,在五次再生循环中,磁性壳聚糖粒子并未出现明显的磁性和吸附量损失;在长达十个月的干燥存贮过程中,磁性壳聚糖粒子表现出了良好的稳定性;在不同温度下,采用鼓风和真空两种加热方式将磁性壳聚糖粒子加热30小时,这两种加热方式对磁性壳聚糖粒子的稳定性影响类似,在50和100°C条件下加热后吸附量变化较小,150和200°C条件下加热造成吸附量的大幅下降.在50-150°C的加热条件下,磁性壳聚糖粒子的磁性较为稳定;200°C条件下加热使其磁性出现少量增加;不同的磁场强度对磁性壳聚糖粒子的稳定性影响甚微.其次,对于众多磁性壳聚糖材料,现存的研究缺乏综合评价标准或评价方法.建立两种平价模式来全面地评价磁性壳聚糖粒子.根据吸附量(Q)和回收效率为98%所需的回收时间(t),建立吸附回收指数(ARI,ARI=_t~Q).根据磁性壳聚糖粒子的两个特性指数Q和饱和磁化强度(M_s)建立矢量模型,并将Q和M_s标准化值置于二维坐标中.目标值(1,1)设为兼具最佳的Q和M_s,通过材料与目标值在坐标系中的距离进行材料的优劣性评价,即,性能越好的材料距离目标值越近.采用两种方法制备两系列无改性的,具有不同壳聚糖含量的磁性壳聚糖粒子,用于吸附不同价态的重金属离子,并利用两种磁性壳聚糖粒子检验两种评价模型的有效性和科学性.用评价模型评价各种磁性吸附剂发现已有的研究中缺乏兼具高磁性和高吸附量的吸附剂,制备两种兼具高磁性和高吸附量的磁性壳聚糖粒子.第一种为胺改性壳聚糖/CoFe_2O_4粒子,用于对Cu(II)和Pb(II)的单组分对比吸附和双组分竞争吸附.SEM,FTIR和XRD的表征结果表明成功制备了胺改性壳聚糖/CoFe_2O_4粒子.磁性结果表明其饱和磁化强度为63.83 emu g~(-1),使其具备快速的磁响应.同时,研究了反应时间,pH值,初始离子浓度,共存离子和腐殖酸对单双组分吸附的影响.结果表明,吸附动力学符合准二级动力学模型,单组分吸附和不同Cu(II),Pb(II)质量比((Cu(II)/Pb(II))的双组分吸附等温线均符合Langmuir模型.在单组分吸附过程中,Cu(II)和Pb(II)的最大吸附量分别为168.0和228.3 mg g~(-1),在双组分吸附((Cu(II)/Pb(II)=1:1)过程中,所得Cu(II)和Pb(II)的最大吸附量分别为139.6和160.2 mg g~(-1).第二种为聚丙烯酸改性高磁性壳聚糖粒子.该吸附剂含有高磁性的CoFe磁核,随后包覆SiO_2层,并将壳聚糖负载于表面,采用聚丙烯酸对其进行改性.通过扫描电镜(SEM),FTIR,XRD和磁性对所制吸附剂进行表征.表征结果证实了聚丙烯酸改性高磁性壳聚糖粒子的成功制备,该材料具有优异的饱和磁化强度(118.9 emug~(-1)).研究了其对Cu~(2+)的吸附动力学,吸附等温线,pH值的影响和吸附解吸能力.吸附动力学符合准二级动力学,吸附等温线符合Langmuir模型,所得最大吸附量为234.1 mg g~(-1).EDTA能够使吸附饱和的吸附剂得到再生.吸附剂吸附完成后,回收再利用可减少二次污染,节约资源.利用永磁铁建立回收模型,用不同的磁铁排布方式建立磁回收模型,即底部回收模型和两侧回收模型,分别为一块磁铁置于磁回收池底部和两块磁铁置于磁回收池两侧,对磁性壳聚糖粒子在磁场中进行受力分析,推导出两种磁铁排布方式的磁回收效率方程.在不同的流速条件下,分别用所制备的包埋法和化学沉淀法制备的壳聚糖含量为0.3的磁性壳聚糖粒子,胺改性壳聚糖/CoFe_2O_4粒子和聚丙烯酸改性高磁性壳聚糖粒子进行磁回收实验.两种回收模型中丙烯酸改性高磁性壳聚糖粒子的磁回收效率最高,当粒子进入磁回收池的速度为0.003m s~(-1)时,两种回收模型的磁回收效率均达到0.99.通过比较实验所得的回收效率与回收效率方程计算的理论回收效率,发现两者之间存在一定差异,通过二分法对磁回收率方程添加修正系数,得出更切合实验结果的磁回收效率方程.研究结果为磁性吸附剂的实际应用奠定了理论与实验基础.

展开