新型阴离子淀粉微球的制备及其吸附性能研究

论文摘要

随着我国经济的快速发展,现代工业发展迅速,规模越来越大,工业废水的排放量剧增,对我国水资源的污染也日益严重,各种染料废水中由于含有很多难于降解的有机性物质,存在于水中不仅会影响光线的传播,更加不利于水体中的各种生态系统、微生物系统进行光合作用维持新陈代谢;重金属废水可通过进入食物链造成人类的永久性中毒,而吸附法在去除难降解污染物中起着重要作用,本研究的目的是以天然的可溶性淀粉为原料制备中性淀粉微球,通过对其阴离子化制备一种绿色环保的、易降解的新型阴离子淀粉微球（ASMs）;将其作为吸附剂处理以亚甲基兰为代表的阳性染料废水和以铜、铅为代表的重金属离子废水;从热力学和动力学角度分析了其对亚甲基兰和Cu2+、Pb2+的吸附性能和吸附机理。研究结果对废水处理提供了一定的理论依据和应用基础。首先,从合成中性淀粉微球入手,以可溶性淀粉为原料,环氧氯丙烷为交联剂,采用反相乳液法制备中性交联淀粉微球;然后再以交联淀粉微球为原料,以氯乙酸为阴离子醚化剂,首次制备新型的阴离子淀粉微球。单因素实验和正交试验设计结果表明,氢氧化钠用量,氯乙酸用量,80%乙醇用量,反应温度,反应时间对阴离子淀粉微球吸附量都有一定的影响,其影响顺序为80%乙醇用量﹥氢氧化钠用量﹥反应温度﹥反应时间﹥氯乙酸用量。优化的阴离子淀粉微球的最佳合成条件是:反应温度50℃、反应时间5 h、80%乙醇用量5.5 mL、氢氧化钠用量0.9 g、氯乙酸用量0.3 g。扫描电镜、粒度分析仪的测试结果表明,微球形态较圆整,含有许多微孔,平均粒径在60-80μm之间;红外光谱图表明,制备出阴离子淀粉微球带有阴离子化基团。其次,将阴离子淀粉微球用于吸附以亚甲基兰为代表的阳性染料。研究结果表明,阴离子淀粉微球对亚甲基兰表现出较好的吸附能力,吸附过程符合Langmuir等温吸附方程式,并且最大吸附量为666.67 mg/g。动力学研究结果表明,二级动力学方程比一级动力学方程更能符合实验数据,说明吸附的速控步骤是化学吸附而不是溶质扩散。温度对吸附的影响不显著,但吸附过程存在一个最适温度为303 K。最后,将阴离子淀粉微球用于吸附Cu2+、Pb2+。结果表明:不同温度下ASMs对Cu2+、Pb2+的吸附等温线符合Langmuir和Freundlich吸附等温模型。线性拟合的结果表明,阴离子淀粉微球对Cu2+吸附更符合Freundlich方程,而对Pb2+吸附更符合Langmuir方程。用拟合的Freundlich方程,根据吸附等量式计算的热力学参数更能反映微球对金属离子的吸附机制。等量吸附焓变△H均为负值,且绝对值都大于30 kJ/mol,而小于60 kJ/mol,说明吸附过程包含有静电的物理吸附,氢键力作用,微球表面羧基与金属离子的配位吸附等。随着吸附量的增加,吸附焓变愈来愈小,进一步反映了微球表面的不均匀性。体系总体的混乱程度随吸附量的增加而变大,说明脱附下的溶剂分子增加。动力学研究表明,ASMs对Cu2+、Pb2+吸附过程更符合二级动力学方程,吸附过程同时受表面扩散和颗粒内扩散过程控制,颗粒内的扩散过程为速控步骤。根据吸附焓变的绝对值比较,可看出阴离子淀粉微球对Pb2+的吸附强度大于其对Cu2+的吸附强度。本论文的创新点:（1）首次以氯乙酸为阴离子醚化剂,将中性交联淀粉微球改性为新型绿色环保、易降解的阴离子淀粉微球,并优化了微球的合成配方;（2）以亚甲基兰为阳性染料代表,探讨了新型阴离子淀粉微球对其吸附性能和吸附的动力学特征;（3）从热力学和动力学的角度出发,研究了新型阴离子淀粉微球对重金属离子的吸附性能和吸附机理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 淀粉概述
• 1.1.1 淀粉的结构
• 1.2 淀粉的基本性质
• 1.2.1 淀粉的物理性质
• 1.2.2 淀粉的化学特性
• 1.3 变性淀粉
• 1.3.1 化学变性淀粉
• 1.3.2 物理变性淀粉
• 1.3.3 酶法变性（生物改性）淀粉
• 1.3.4 复合变性淀粉
• 1.4 淀粉微球概述
• 1.4.1 淀粉微球性质
• 1.4.2 淀粉微球的制备方法
• 1.4.3 淀粉微球的用途
• 1.4.4 淀粉微球作为医药载体应用研究现状
• 1.4.5 淀粉微球的吸附性能研究进展
• 1.4.6 淀粉微球的吸附机理
• 1.5 文献总结及课题提出
• 第二章 阴离子淀粉微球的制备与表征
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 试剂与仪器
• 2.1.2 实验方法
• 2.1.3 微球的表征和性能研究
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 扫描电镜分析
• 2.2.2 红外光谱（FTIR）分析
• 2.2.3 微球粒径分析及粒度分布
• 2.2.4 以阴离子淀粉微球对亚甲基兰的吸附量为指标考察吸附性能分析
• 2.3 小结
• 第三章 阴离子淀粉微球对亚甲基兰的吸附性能研究
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 实验材料
• 3.1.2 实验方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 阴离子淀粉微球对亚甲基兰的吸附等温线特征
• 3.2.2 阴离子淀粉微球对亚甲基兰的吸附动力学特征
• 3.2.3 吸附温度对吸附量的影响
• 3.3 与其他吸附剂做比较
• 3.4 结论
• 2+、Pb²⁺的吸附性能研究'>第四章 阴离子淀粉微球对Cu²⁺、Pb²⁺的吸附性能研究
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 实验材料与仪器
• 4.1.2 实验方法
• 4.2 结果与讨论
• 2+的等温吸附线特征'>4.2.1 阴离子淀粉微球对Cu2+、Pb²⁺的等温吸附线特征
• 2+、Pb²⁺吸附的热力学特性'>4.2.2 阴离子淀粉微球对Cu²⁺、Pb²⁺吸附的热力学特性
• 2+、Pb²⁺ 吸附的动力学特征'>4.2.3 阴离子淀粉微球对Cu²⁺、Pb²⁺吸附的动力学特征
• 4.3 结论
• 第五章 结论
• 5.1 结论
• 5.1.1 阴离子淀粉微球的合成和制备条件优化
• 5.1.2 阴离子淀粉微球的吸附性能研究
• 5.2 未来展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介