基于聚丙烯腈的新型螯合纤维的制备及其吸附性能研究

论文摘要

随着工业的高速发展,污染物的排放已使环境日趋恶化,给自然环境和人类健康造成了严重危害。就环境污染物而言,重金属污染尤为严重。因此,制备能够处理废水中重金属离子的高效吸附材料具有重要的意义。而螯合纤维（CF）是高效吸附材料的主要发展方向之一。首先,本文以聚丙烯腈纤维（PANF）为基体,通过胺化反应和羧甲基化反应制得一系列新型螯合纤维。通过研究反应温度、反应时间、底物浓度等因素对功能化反应的影响确定了较优的实验条件。实验结果表明:（1）胺化反应随多胺链的增长而逐渐变得困难;（2）多胺化合物中的伯胺和仲胺基团皆可以参与胺化反应;（3）羧甲基化反应受氯乙酸浓度的影响较为显著。采用红外光谱（IR）、扫描电镜（SEM）、X-射线粉末衍射（XRD）等分析手段对制得的螯合纤维进行结构表征,并讨论了功能化反应机理。其次,选择合适的螯合纤维为研究对象,测定了其对Cd2+的饱和吸附量,研究了pH值和吸附时间对Cd2+吸附量的影响;测定了在低浓度下对Cd2+的吸附情况并研究了该纤维的再生及重复使用问题;同时研究了该纤维对多金属混合溶液中Cd2+、Hg2+、Pb2+、Ni2+、Cu2+、Ag+、Mg2+等金属离子的吸附性能,并研究了其对实际污水中的超标重金属的吸附情况,最后探讨了该纤维吸附重金属的机理。结果表明:（1）该纤维对Cd2+具有特别好的吸附能力,吸附速度快,饱和吸附量大:15分钟即可基本吸附饱和,饱和吸附量可达到1.337 mmol/g;（2）重复使用十次以后饱和吸附量可以达到0.712 mmol/g;（3）对混合金属离子溶液中的Cd2+吸附效果很好,在24小时内即可将Cd2+从0.5 ppm降低至0.01 ppm以下。同时对其他金属离子也有较好的吸附效果;（4）对实际污水中的Cd2+吸附效果很好,在24小时内即可将Cd2+从0.38 ppm降低至0.01 ppm以下。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 离子交换纤维
• 1.1.1 离子交换纤维的发展历史与现状
• 1.1.2 离子交换纤维的分类
• 1.1.3 离子交换纤维的制备方法
• 1.1.3.1 纤维大分子化学改性或接枝
• 1.1.3.2 活性单体聚合成纤
• 1.1.3.3 聚合物混合成纤
• 1.1.4 离子交换纤维的化学稳定性和机械性能
• 1.1.5 离子交换纤维的吸附与交换能力
• 1.2 螯合纤维
• 1.2.1 螯合纤维的发展历史与现状
• 1.2.2 螯合纤维的结构特点与功能
• 1.2.3 螯合纤维的种类
• 1.2.3.1 胺肟型螯合纤维
• 1.2.3.2 含磷螯合纤维
• 1.2.3.3 含硫螯合纤维
• 1.2.3.4 氨基螯合纤维
• 1.3 制备离子交换/螯合纤维的骨架材料
• 1.3.1 天然纤维为骨架
• 1.3.2 聚乙烯醇纤维为骨架
• 1.3.3 聚烯烃为骨架
• 1.3.4 聚氯乙烯为骨架
• 1.3.5 聚丙烯腈为骨架
• 1.3.6 其他新型纤维为骨架
• 1.4 离子交换/螯合纤维的应用
• 1.4.1 吸附气态污染物
• 1.4.2 分离溶液中的金属离子
• 1.4.2.1 污水中重金属离子的吸附
• 1.4.2.2 稀有和贵重金属的提取和回收
• 1.4.3 高分子催化剂
• 1.4.4 生化工程及天然产物的分离萃取
• 1.5 课题研究内容和意义
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 研究意义
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验原料
• 2.2 主要实验仪器
• 2.3 实验依据与实验路线设计
• 2.4 实验步骤
• 2.4.1 胺化纤维（AF）的制备
• 2.4.1.1 二乙烯三胺胺化纤维（DTAF）的制备
• 2.4.1.2 乙二胺胺化纤维（EDAF）的制备
• 2.4.1.3 三乙烯四胺胺化纤维（TTAF）的制备
• 2.4.1.4 四乙烯五胺胺化纤维（TPAF）的制备
• 2.4.1.5 多乙烯多胺胺化纤维（PPAF）的制备
• 2.4.1.6 N1,N3-二甲基-N1-（3-甲基氨基丙基）丙烷-1,3-二胺胺化纤维的制备
• 2.4.2 螯合纤维（CF）的制备
• 2.4.2.1 二乙烯三胺胺化羧甲基化螯合纤维（DTCF）的制备
• 2.4.2.2 乙二胺胺化羧甲基化螯合纤维（EDCF）的制备
• 2.4.3 吸附金属离子实验
• 2+的影响'>2.4.3.1 pH值对吸附Cd²⁺的影响
• 2+的影响'>2.4.3.2 吸附时间对吸附Cd²⁺的影响
• 2+脱附实验'>2.4.3.3 Cd²⁺脱附实验
• 2.4.3.4 螯合纤维的重复使用实验
• 2.4.3.5 吸附混合金属离子实验
• 2.4.3.6 吸附实际污水中金属实验
• 2.5 结构表征
• 2.5.1 红外光谱表征
• 2.5.2 表面形貌分析
• 2.5.3 纤维表面元素分析
• 2.5.4 纤维结晶度的测量
• 第三章 实验结果与讨论
• 3.1 胺化纤维（AF）的制备
• 3.1.1 胺化反应的影响因素
• 3.1.1.1 反应温度对胺化反应的影响
• 3.1.1.2 反应时间对胺化反应的影响
• 3.1.1.3 底物浓度对胺化反应的影响
• 3.1.2 其他多胺与纤维的反应
• 3.2 螯合纤维（CF）的制备
• 3.2.1 羧甲基化的影响因素
• 3.2.2 乙二胺胺化纤维羧甲基化实验
• 3.3 结构分析与机理讨论
• 3.3.1 扫描电镜表面形貌分析
• 3.3.2 X射线粉末衍射分析
• 3.3.3 红外光谱解析与反应机理的探讨
• 3.4 螯合纤维对金属离子的吸附性能研究
• 2+的影响'>3.4.1 pH值对吸附Cd²⁺的影响
• 2+的影响'>3.4.2 吸附时间对吸附Cd²⁺的影响
• 2+脱附实验'>3.4.3 Cd²⁺脱附实验
• 3.4.4 螯合纤维的重复使用
• 3.4.5 吸附混合金属离子
• 3.4.5.1 二乙烯三胺胺化羧甲基化纤维吸附混合金属离子
• 3.4.5.2 乙二胺胺化羧甲基化纤维吸附混合金属离子
• 3.4.6 吸附实际污水中金属
• 3.4.7 螯合纤维吸附金属离子的机理探讨
• 第四章 结论与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 附录
• 致谢