球形木质素磺酸钠树脂的制备、改性及其吸附性能的研究

论文摘要

随着工业迅猛发展,中国各主要大、中城市郊区的蔬菜已受到一定程度的重金属的污染。重金属元素在蔬菜中的积累较明显,部分已达到了较高的残留水平,超过国家食品卫生限量标准。其污染主要是因为使用了受污染的灌溉水。重金属污染已严重威胁了人们的健康与生命安全,因此对灌溉水中的重金属的去除具有重要的意义。目前重金属的处理方法主要有沉淀法、电化学法、膜分离法、分子印迹法和吸附法。沉淀法因为沉淀剂的加入容易造成二次污染;电化学法主要用于电镀废水的处理,此法存在着耗电量大、成本高、析氧和析氢等副反应多的不足;膜分离法的主要问题是膜组件昂贵,且在使用过程中膜容易受到污染而导致通量下降,影响去除效果;分子印迹法因为多数分子印迹聚合物由有机物合成的或有有机溶剂参与,这样就使水质可能增加了新的有机污染物;利用吸附法进行水处理,具有适用范围广、处理效果好、可回收有用物料以及吸附剂可重复使用等优点,已广泛应用于化工、环境保护、医药卫生和生物工程等领域。木质素磺酸钠具有产量大、价格便宜、较多活性基团、可再生、可生物降解和无毒等优点,故其改性研究备受关注。粉状、细粒状木质素吸附剂孔结构不丰富,水力学性能差,难以在实际操作中大规模使用。而球形木质素吸附剂具有疏松、亲水的网络结构,另外,其具有表面积大、通透能力与水力学性能较好的特点,适合于床式吸附处理。同时,球状有利于装填、清洗、回收、活化等处理。未改性的球形木质素吸附能力不强,将其作为母体,对其进行了化学改性,引入一些含有杂环的配体,以提高木质素吸附剂的吸附效果。这样,既综合利用了天然高分子资源,又治理了造纸、水处理、湿法冶金等带来的环境污染。本文综述了重金属污染和木质素一些概况的基础上,以去除重金属为目的,将纯化后的木质素磺酸钠粉末成功地制备成球形木质素,并以此为母体对其进行改性,系统研究了改性后球形木质素的吸附性能。主要研究内容如下:1.采用了甲酚-浓硫酸法对木质素磺酸钠粉末进行了纯化。并对纯化前后水分、灰分和总糖等成分进行了比较。结果表明,纯化后水分降低了 57.1%,灰分降低了 76.1%,总糖降低了 71.5%。利用了红外光谱对纯化前后的结构进行了比较。利用热重分析技术,比较了纯化前后热稳定性的比较。2.利用反相悬浮原理,以精制木质素磺酸钠粉末为原料,环氧氯丙烷为交联剂,NaOH为催化剂,制备出球形木质素磺酸钠树脂。探讨了分散相种类与相比、分散剂种类与用量、原料的浓度、环氧氯丙烷的用量、搅拌速度、NaOH浓度和反应温度等因素对成球的影响,通过单因素的试验和响应面分析法对成球条件进行了优化,得到最佳成球工艺。利用红外光谱对精制木质素磺酸钠粉末和球形木质素磺酸钠树脂的结构进行了比较,结果表明,交联成功。热重分析表明,实验所制得的球形木质素磺酸钠树脂具有良好的热稳定性。3.以球形木质素磺酸钠树脂为母体,金属钠为催化剂,在适当的条件下与杂环配体发生反应,对球形木质素磺酸钠树脂进行改性。从2-氯甲基苯并咪唑和5-氯甲基四氮唑两种配体中,筛选出一种增重率较高的配体。并探讨了反应溶剂、反应时间、反应温度和反应物质量比等因素对改性的影响,通过单因素的试验和响应面分析法对改性条件进行了优化,得到最佳改性工艺。4.采用静态吸附比较了改性前后吸附量的大小,结果表明,改性后的球形木质素吸附能力比未改性的强。系统研究了改性球形木质素磺酸钠对 Cu（Ⅱ）、Ni（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）和 Hg（Ⅱ）6 种重金属离子的吸附性能。静态研究表明,在T=298K,HAc-NaAc体系中,在各自最佳pH值下改性球形木质素对6种重金属离子均有较强的吸附能力。静态吸附容量分别为74 mg/g、47 mg/g、42 mg/g、102 mg/g、54 mg/g和112 mg/g。实验还探讨了不同温度下等温吸附曲线与Langmuir方程和Freundlich方程的吻合性,及吸附过程的动力学和热力学参数。等温吸附实验结果表明,在实验研究的浓度范围内,改性球形木质素对6种金属离子的吸附行为符合Langmuir等温模型;吸附动力学研究结果表明:改性球形木质素对6种金属离子的吸附都较为符合二级动力学方程,表明化学吸附是吸附速率的主控步骤。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 蔬菜重金属的污染
• 1.1.1 我国农田和蔬菜重金属污染现状及来源
• 1.1.2 重金属污染的危害
• 1.2 重金属的处理方法
• 1.2.1 沉淀法
• 1.2.2 电化学法
• 1.2.3 膜分离法
• 1.2.4 分子印迹法
• 1.2.5 吸附法
• 1.3 重金属吸附剂的概况
• 1.3.1 活性炭
• 1.3.2 矿物类吸附剂
• 1.3.3 单宁类吸附剂
• 1.3.4 壳聚糖类的吸附剂
• 1.3.5 改性淀粉类吸附剂
• 1.3.6 改性纤维素类吸附剂
• 1.3.8 木质素类吸附剂
• 1.4 木质素的概况
• 1.4.1 木质素的存在
• 1.4.2 木质素的基本结构
• 1.4.3 木质素的物理性质
• 1.4.4 木质素的化学性质
• 1.5 木质素及其衍生物对重金属吸附的研究进展
• 1.6 本课题研究意义及研究内容
• 第2章 木质素磺酸钠的纯化
• 2.1 仪器与试剂
• 2.1.1 仪器装置
• 2.1.2 试剂材料
• 2.2 实验内容
• 2.2.1 实验原理
• 2.2.2 实验步骤
• 2.2.3 木质素磺酸钠的成分分析测定
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 木质素磺酸钠的成分分析
• 2.3.2 木质素磺酸钠的红外光谱分析
• 2.3.3 热重分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 球形木质素磺酸钠树脂的制备
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 主要仪器和试剂
• 3.1.2 球形木质素磺酸钠树脂的制备
• 3.1.3 产品的粒度分布
• 3.1.4 红外分析
• 3.1.5 热重分析
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 外观
• 3.2.2 反相悬浮聚合原理
• 3.2.3 球形木质素磺酸钠树脂的制备机理
• 3.2.4 球形木质素磺酸钠树脂制备的影响因素
• 3.2.4.1 分散相的选择
• 3.2.4.2 分散剂的选择
• 3.2.4.3 分散相的用量
• 3.2.4.4 分散剂的用量
• 3.2.4.5 搅拌速度的影响
• 3.2.4.6 环氧氯丙烷用量的影响
• 3.2.4.7 木质素磺酸钠浓度的影响
• 3.2.4.8 反应温度的影响
• 3.2.4.9 NaOH浓度的影响
• 3.3 利用响应面技术对成球工艺条件的优化
• 3.3.1 响应面分析与试验结果
• 3.3.2 模型的建立与显著性检验
• 3.3.3 响应面分析
• 3.3.4 最佳成球工艺
• 3.4 红外光谱分析
• 3.5 热重分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 球形木质素磺酸钠树脂的改性
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 仪器装置
• 4.1.2 主要原料和试剂
• 4.1.3 球形木质素磺酸钠树脂的改性
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 树脂的最佳接枝条件探讨
• 4.2.2 利用响应面对球形木质素磺酸钠树脂改性的工艺条件进行优化
• 4.2.2.1 响应面分析与试验结果
• 4.2.2.2 模型的建立与显著性检验
• 4.2.2.3 响应面分析图
• 4.2.3 最佳改性条件
• 4.3 本章小结
• 第5章 改性球形木质素树脂的吸附性能研究
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 仪器装置
• 5.1.2 主要原料及试剂
• 5.1.3 实验方法
• 5.1.3.1 吸附平衡实验
• 5.1.3.2 介质pH对吸附容量的影响
• 5.1.3.3 吸附动力学
• 5.1.3.4 等温曲线
• 5.1.3.5 吸附热力学
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 缓冲液pH对吸附的影响
• 5.2.2 吸附动力学
• 5.2.3 吸附等温线
• 5.2.4 吸附热力学
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 附录
• 读研期间科研成果
• 致谢