壳聚糖-g-聚丙烯酸/海泡石复合材料的制备及其吸附性能研究

论文摘要

传统的废水处理法在处理效率和经济效率方面都还存在比较多的问题。壳聚糖作为吸附剂时存在着酸溶性、质软、难成形等缺点,因此需要对其进行化学改性等处理,改性壳聚糖对金属离子具有良好的吸附性能但尚存在如造粒难、比重较小、从溶液中沉降的速度较慢等诸多缺点,且总体造价比较高;海泡石是层状硅酸盐的一种,由于其结构的特性,具备了离子交换性、吸附性、吸水性等性能,也能应用于处理重金属离子废水、染料废水等,是很有发展前景的优质价廉水处理剂,但存在着难于二次利用的问题,同时也可能产生二次污染。针对壳聚糖及海泡石在水处理方面的优缺点,本论文以壳聚糖、丙烯酸和海泡石为原料、以过硫酸铵为引发剂、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）为交联剂,在水溶液中通过接枝共聚反应合成了具有三维网络结构的壳聚糖-g-聚丙烯酸/海泡石复合材料。制得的复合材料在具有高吸水性的同时,对重金属离子Pb（Ⅱ）、Hg（Ⅱ）也有很高的吸附性能,且海泡石的加入使树脂的吸附速率、凝胶强度和耐盐、耐酸性有了很大改善,并降低了制备成本。本文的主要研究内容及获得的研究结果有:1、以吸水倍率和吸盐水倍率为参考量,通过均匀设计对实验合成条件进行优化,并将最优化条件下的合成样品记做CTS-g-PAA/Sep,测试结果表明其吸水倍率达到423.7g/g,吸盐水倍率92.6 g/g,相对于对比样品CTS-g-PAA,复合材料的耐盐性大大提高。2、XRF测试结果表明海泡石的精制去除了原矿中的钙盐杂质;红外光谱分析表明AA、CTS和海泡石共同参与了接枝聚合反应;XRD分析说明海泡石的层状结构被撑开;从扫描电镜可以看出,CTS-g-PAA/Sep材料表面粗糙多孔,有利于增大吸附容量;热分析测试显示CTS-g-PAA/Sep热稳定性较壳聚糖大大增强,能在300℃以下保持结构稳定;氮气吸附脱附实验结果表明CTS-g-PAA/Sep比表面积达到了82.168 m2/g,有利于提高材料吸附量。3、研究了CTS-g-PAA/Sep对Pb（Ⅱ）、Hg（Ⅱ）的吸附实验。探讨了不同合成条件、溶液pH、温度对复合材料吸附性能的影响;绘制了吸附等温线,用四种等温模型对其吸附过程进行拟合,拟合结果显示CTS-g-PAA/Sep对Pb（Ⅱ）、Hg（Ⅱ）的饱和吸附量分别达到286.95 mg/g,371.89 mg/g,大大高于其它矿物及原料;吸附动力学实验表明:CTS-g-PAA/Sep对Pb（Ⅱ）、Hg（Ⅱ）的吸附均在50min左右达到平衡,优于CTS的7-8h,且用二级动力学模型可以很好描述对Pb（Ⅱ）的吸附过程,用一级动力学模型很好的描述对Hg（Ⅱ）的吸附过程。4、重复吸附-脱附实验表明CTS-g-PAA/Sep较海泡石有很好的再生性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 有机-无机复合材料研究概况
• 1.2 壳聚糖的研究及应用现状
• 1.2.1 壳聚糖结构与性质
• 1.2.2 壳聚糖及其衍生物在处理废水中的研究概况
• 1.2.3 壳聚糖/无机复合材料的研究进展
• 1.3 海泡石的研究及应用现状
• 1.3.1 海泡石基本结构和性质
• 1.3.2 海泡石改性
• 1.3.3 改性海泡石在处理水污染中的应用
• 1.3.4 聚合物/海泡石复合材料研究进展
• 1.4 本论文的研究目的和内容
• 1.5 实验工作量
• 第2章 壳聚糖-g-聚丙烯酸/海泡石复合材料的合成与实验优化
• 2.1 主要原料试剂与设备仪器
• 2.1.1 设备仪器
• 2.1.2 原料及药品试剂
• 2.1.3 实验原料精制
• 2.2 实验合成装置与工艺流程图
• 2.2.1 合成装置
• 2.2.2 工艺流程图
• 2.3 合成实验接枝原理
• 2.3.1 共聚物的类型和命名
• 2.3.2 高分子接枝的定义与分类
• 2.4 合成实验设计
• 2.4.1 均匀设计和正交设计的比较
• 2.4.2 实验条件的优化——均匀设计
• 2.4.3 复合材料吸水倍率与吸盐水倍率的计算
• 2.5 合成实验方法
• 2.5.1 均匀设计合成实验
• 2.5.2 最优化条件下的样品合成
• 2.6 实验结果与讨论
• 2.6.1 合成样品的吸水率和吸盐水率的测定
• 2.6.2 均匀设计表的直观分析与最优化结果
• 2.6.3 最优化条件下样品的吸水性测试
• 2.7 小结
• 第3章 CTS-g-PAA/Sep 复合材料对Pb（Ⅱ）、Hg（Ⅱ）的吸附性能研究
• 3.1 主要设备仪器
• 3.2 原料及药品试剂
• 3.3 实验设计
• 3.3.1 实验测试方法
• 3.3.2 吸附量测定方法
• 3.3.3 复合材料对金属离子Pb（Ⅱ） 、Hg（Ⅱ）的吸附性能实验
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 不同合成条件对复合材料吸附金属离子的影响
• 3.4.2 溶液pH 值对复合材料吸附性能的影响
• 3.4.3 温度对复合材料吸附性能的影响
• 3.4.4 吸附等温线实验
• 3.4.5 吸附剂的比表面积计算
• 3.4.6 吸附动力学实验
• 3.4.7 材料的重复吸附-脱附实验
• 3.4.8 与其他吸附剂比较
• 3.5 小结
• 第4章 CTS-g-PAA/Sep 复合材料的表征
• 4.1 主要原料试剂及设备仪器
• 4.1.1 设备仪器
• 4.1.2 测试样品
• 4.2 分析表征方法与结果
• 4.2.1 X 射线荧光光谱法（XRF）
• 4.2.2 红外光谱分析
• 4.2.3 XRD 分析
• 4.2.4 扫描电镜分析
• 4.2.5 热分析
• 4.2.6 氮气吸附-脱附表征
• 4.3 小结
• 第5章 CTS-g-PAA/Sep 复合材料的合成机理探讨
• 5.1 合成中壳聚糖与海泡石的作用
• 5.1.1 聚合物/层状硅酸盐复合材料结构简介
• 5.1.2 壳聚糖与海泡石的相互作用
• 5.2 壳聚糖接枝共聚丙烯酸机理
• 5.3 合成中海泡石与丙烯酸的相互作用
• 5.4 CTS-g-PAA/Sep 合成机理探讨
• 5.5 小结
• 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果