磺酸基纤维素的合成与吸附性能研究

论文摘要

本文以治理水体中阳离子污染物和重金属为目标，研究了一种天然高分子材料——纤维素的改性方法，合成了带有磺酸基团的磺酸基纤维素，详细研究了磺酸基纤维素对特定污染物的吸附性能，探讨了吸附机理。以硝酸铈铵为引发剂，通过自由基接枝共聚将2-丙烯酰胺基-2甲基丙磺酸（AMPS）接枝到纤维素分子链上，合成了磺酸基纤维素。通过正交实验及单因素对磺酸基纤维素含硫量的影响确定了最佳工艺参数：反应温度323K，反应时间4小时，AMPS单体与纤维素质量比3:1,硝酸铈铵浓度63.8mmol/L，此时磺酸基纤维素的含硫量为7.32w%，即每克磺酸基纤维素平均含有2.28mmol磺酸基团。用溴化钾压片法对磺酸基纤维素进行红外光谱分析:在1303cm-1和1159cm-1处出现了磺酸基团中的S＝O特征峰，酰胺基中的C=O和C－N伸缩振动峰出现在1650cm-1和1548cm-1处，表明AMPS单体已成功的接枝到了纤维素分子链上。对磺酸基纤维素进行X-射线衍射分析和电镜扫描分析，实验结果表明通过改性，纤维素的结晶结构被破坏，比表面积增大。将磺酸基纤维素用于阳离子红X-GRL、重金属离子pb2+和苯胺的吸附。磺酸基纤维素对污染物的吸附受溶液酸度影响较大，在pH6～7时磺酸基纤维素具有较高的吸附容量。吸附动力学研究结果表明:磺酸基纤维素吸附上述污染物可用Lagergren二级吸附动力学方程较好地拟合;温度升高，磺酸基纤维素的平衡吸附量和吸附速率增大;在318K时，磺酸基纤维素对阳离子红X-GRL，pb2+和苯胺的平衡吸附容量分别为1.58mmolg/g，0.768mmol/g和1.93mmol/g;磺酸基纤维素对上述三者污染物的表观活化能Ea分别为15.2kJ/mol，13.7kJ/mol和20.4kJ/mol。磺酸基纤维素的等温吸附模型能较好地用Langmuir等温吸附模型拟合。吸附热力学研究结果表明：在288K～318K下，磺酸基纤维素吸附上述污染的过程中吸附焓变△H>0,吸附熵变△S>0,吉布斯自由能△G<0，温度越高，△G越小。在298K时，磺酸基纤维素对上述三种污染物的动态平衡吸附量分别为0.954mmolg/g，0.462mmolg/g和1.07mmolg/g，接近其静态平衡吸附量。将磺酸基纤维素运用于水体中特定污染物的吸附，并与0017（732）型强酸性苯乙烯阳离子交换树脂和（20～30目）木质颗粒活性炭的平衡吸附量进行对比。磺酸基纤维素对共平面大分子结构的阳离子染料和含有氨基基团的芳香族有机物具有较好的吸附效果，对重金属离子的吸附强弱顺序依次为Ag+＞Pb2+＞Cu2+＞Cd2+＞Ni2+＞Co2+＞Cr3+。磺酸基纤维素对重金属离子的吸附是静电引力、配位或螯合反应的化学吸附；对大分子共平面结构的阳离子有机物的吸附除正负电荷之间的静电引力，同时还有范德华力的物理吸附。室温298K下，用1.0mol/L的盐酸溶液对磺酸基纤维素进行脱附再生，并将再生后的磺酸基纤维素再次用于污染物的吸附。重复再生-吸附过程六次后，磺酸基纤维素对阳离子红X-GRL，pb2+和苯胺的吸附容量仍保持在初次使用时吸附量的90%以上，磺酸基纤维素具有良好的再生与循环利用性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 水污染简介
• §1.1.1 中国水资源现状
• §1.1.2 水体中污染物的分类及危害
• §1.1.3 水污染治理现有技术简介
• §1.2 纤维素简介
• §1.2.1 纤维素结构
• §1.2.2 纤维素理化性能
• §1.2.3 纤维素衍生物的应用
• §1.3 纤维素衍生物吸附材料简介
• §1.3.1 阳离子纤维素
• §1.3.2 阴离子纤维素
• §1.3.3 两性纤维素
• §1.3.4 离子螯合纤维素
• §1.4 磺酸基纤维素简介
• §1.5 本文的研究意义和内容
• 第二章 实验部分
• §2.1 实验仪器与材料
• §2.1.1 实验仪器
• §2.1.2 实验试剂和材料
• §2.1.3 试剂的配制
• §2.2 实验方法
• §2.2.1 磺酸基纤维素的合成
• §2.2.2 磺酸基纤维素含硫量的测定
• §2.2.3 红外光谱分析
• §2.2.4 X-射线衍射光谱分析
• §2.2.5 电镜扫描
• §2.2.6 磺酸基纤维素吸附容量的测定
• §2.2.7 动态吸附实验方法
• §2.2.8 磺酸基纤维素的再生方法
• 第三章 实验结果与讨论
• §3.1 磺酸基纤维素合成工艺研究
• §3.1.1 正交实验
• §3.1.2 反应温度的影响
• §3.1.3 反应时间的影响
• §3.1.4 AMPS 用量的影响
• §3.1.5 引发剂浓度的影响
• §3.1.6 小结
• §3.2 磺酸基纤维素的结构表征
• §3.2.1 红外光谱分析
• §3.2.2 X-射线衍射光谱分析
• §3.2.3 电镜扫描
• §3.3 磺酸基纤维素吸附性能研究
• §3.3.1 pH 对磺酸基纤维素吸附容量的影响
• §3.3.2 吸附动力学曲线
• §3.3.3 吸附动力学方程
• §3.3.4 表观活化能
• §3.3.5 等温吸附模型
• §3.3.6 吸附热力学
• §3.3.7 穿透曲线
• §3.3.8 磺酸基纤维素对污染物的吸附量
• §3.3.9 磺酸基纤维素的吸附机理
• §3.4 磺酸基纤维素的再生与循环利用
• 第四章 结论
• 参考文献
• 在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果
• 致谢