壳聚糖的微波改性及其在废水处理中的应用

论文摘要

壳聚糖是一种可再生的天然高分子化合物,因其来源丰富、价格便宜、性质优良、安全无毒等特点,日益受到人们的关注,逐渐被广泛应用于化工、环保、医药、材料等多方面。然而壳聚糖的溶解性能较差,只能溶于某些稀酸,不溶于水、碱性溶液和大部分有机溶剂,这大大限制了壳聚糖的应用。但是,壳聚糖分子中含有大量的-NH2和-OH,可通过物理和化学改性的方法,引入化学基团以改善壳聚糖的物理和化学性质。微波具有加热均匀和节能,对反应具有加速、提高产率和选择性等特点。结合两者的优点,利用微波对壳聚糖进行化学改性,为壳聚糖材料的应用寻找经济的新工艺,扩大其应用范围。并且对了解微波促进反应规律,具有重要的理论和应用意义,研究内容及主要结果如下:1.马来酸酐改性壳聚糖的微波制备及吸附性能以壳聚糖为基体,在微波辐射条件下,用苯甲醛对壳聚糖-NH2进行保护,与环氧氯丙烷进行交联反应,然后在酸性条件下脱去保护基,使其与马来酸酐进行接枝反应,制得马来酸酐改性壳聚糖（CCTM）吸附剂。运用红外光谱表征了该产物的结构。采用静态吸附方法,从吸附平衡、吸附动力学及吸附热力学等方面评价了其吸附特性,讨论了初始浓度、时间以及温度等对吸附的影响,并研究了其再生吸附性能。（1）对金属离子的吸附实验结果表明,CCTM提高了对Pb2+、Cu2+、Cd2+、Zn2+和Co2+吸附能力,尤其是对Pb2+和Cu2+的吸附容量分别达到246.3mg·g-1和132.1 mg·g-1。CCTM对Pb2+和Cu2+的吸附在低浓度时符合Langmuir等温式,相应的Langmuir常数为247.0和263.8L·mol-1,高浓度时符合Dubinin-Kaganer-Radushkevich（DKR）吸附等温式;CCTM对Pb2+和Cu2+的吸附动力学符合拟二级反应动力学模型;吸附过程焓变ΔH﹤0和熵变ΔS﹤0,即吸附过程放热,降温有利于吸附;重复性实验表明,金属离子的脱附率很高,均超过93%,而且使用数次后,脱附率与吸附容量变化不大。（2）对2,4-二硝基酚的吸附结果表明CCTM对2,4-二硝基酚的最佳吸附pH=3.5,其吸附容量为209.5 mg·g-1,吸附符合Freundlich等温式,吸附动力学符合拟二级反应动力学模型;测定了不同温度下的吸附量,计算了吸附过程的热力学参数,并用Freundlich方程对实验数据进行拟合,发现该方程适用于所研究的吸附体系。体系的热力学与吸附机理密切相关,吸附为放热过程,体系熵减少,降温有利于吸附。用氢氧化钠在微波中脱附,随着微波时间的增加脱附率增大,5min后达到91.60%。2. TiO2改性磁性壳聚糖微球的微波制备及其对甲基橙的光催化降解将自制TiO2、磁性Fe3O4和壳聚糖按一定比例加入到乙酸溶液中,搅拌,过夜,然后在微波下用甲醛,环氧氯丙烷交联,制备交联壳聚糖微球,运用红外光谱、热重和比表面积分析表征了吸附剂的结构。在普通照明用荧光灯照射下,研究了pH值、甲基橙初始浓度、时间和温度对甲基橙光催化降解的影响。结果表明,甲基橙溶液初始pH值对光降解率影响较大,在酸性条件下,甲基橙的光降解速度较快,随pH值的不断增大,光降解速度呈下降趋势;甲基橙的降解率随初始浓度的增大而降低。在pH=3,甲基橙浓度为10mg·L-1时,光催化120min后,甲基橙基本无色,降解率达到89.58%,微球光催化降解甲基橙溶液的脱色反应符合假一级动力学方程,反应速率常数随起始浓度升高而降低,半衰期随起始浓度升高而延长。3.二氰二胺改性壳聚糖微球的微波制备及对Cu2+的吸附以壳聚糖为原料,经羟丙基氯化、胺基化,微波合成了一种壳聚糖微球树脂,研究了该树脂对Cu2+的吸附性能。结果表明,最佳吸附pH值为5.0,吸附等温数据符合Langmuir模型,改性壳聚糖微球对Cu2+的饱和吸附容量为165.4mg·g-1;吸附动力学数据用拟二级反应模型能很好地拟合,吸附容量随温度升高而略有增大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 甲壳素、壳聚糖的结构和来源
• 1.2 壳聚糖的物理化学性质
• 1.2.1 物理性质
• 1.2.2 壳聚糖的化学改性
• 1.3 甲壳素和壳聚糖及其衍生物在水处理中的应用
• 1.3.1 壳聚糖吸附重金属离子机制模型的研究
• 1.3.2 壳聚糖的吸附机理
• 1.3.3 壳聚糖及其衍生物对无机物的吸附
• 1.3.4 壳聚糖及其衍生物对有机物的吸附
• 1.4 微波及其特性
• 1.4.1 微波加热的机理
• 1.4.2 微波加热的特点
• 1.4.3 微波在壳聚糖改性中的应用
• 1.5 本研究的立题背景及研究内容
• 1.5.1 立题背景
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 马来酸酐改性壳聚糖的微波制备及吸附性能
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 仪器与试剂
• 2.1.2 马来酸酐改性壳聚糖吸附剂的制备
• 2.1.3 产品表征分析
• 2.1.4 吸附剂吸附性能实验
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 壳聚糖及衍生物红外图谱分析
• 2.2.2 吸附剂的吸附性能研究
• 2.3 本章小结
• 第三章 CCTM 吸附硝基酚研究
• 3.1 CCTM 对2,4-二硝基苯酚的吸附性能
• 3.1.1 2,4-二硝基酚的工作曲线
• 3.1.2 CCTM 对2,4-二硝基酚的吸附
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 2,4-二硝基酚的标准线性关系曲线
• 3.2.2 溶液pH 值对吸附的影响
• 3.2.3 吸附动力学
• 3.2.4 酚浓度对吸附的影响
• 3.2.5 吸附热力学
• 3.2.6 NaCl 含量对吸附的影响
• 3.2.7 CCTM 吸附2,4-二硝基酚的微波脱附和再吸附性能
• 3.3 本章小结
• 2改性磁性壳聚糖微球的微波制备及其对甲基橙的光催化降解'>第四章 TiO₂改性磁性壳聚糖微球的微波制备及其对甲基橙的光催化降解
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 试剂与仪器
• 2 改性磁性壳聚糖微球的微波制备'>4.1.2 TiO₂改性磁性壳聚糖微球的微波制备
• 4.1.3 产品表征分析
• 4.1.4 微球对甲基橙的光催化降解实验
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 红外光谱分析
• 4.2.2 热重分析
• 4.2.3 产物微球的形貌
• 4.2.4 比表面积的测定
• 4.2.5 微球的磁性分析
• 4.2.6 甲基橙的标准曲线
• 4.2.7 甲基橙溶液初始pH 值对降解效率的影响
• 4.2.8 甲基橙初始浓度对降解效率的影响
• 4.2.9 催化剂用量对降解效率的影响
• 4.2.10 微球的重复利用研究
• 4.3 本章小结
• 2+的吸附'>第五章 二氰二胺改性壳聚糖微球的微波制备及其对Cu²⁺的吸附
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 试剂与仪器
• 5.1.2 二氰二胺改性壳聚糖微球的微波制备
• 5.1.3 产品表征分析
• 2+的吸附性能实验'>5.1.4 CTS-HAC 对Cu²⁺的吸附性能实验
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 红外图谱分析
• 5.2.2 热重分析
• 5.2.3 比表面积的测定
• 5.2.4 pH 对CTS-HAC 吸附容量的影响
• 2+离子初始浓度对CTS-HAC 吸附性能的影响'>5.2.5 Cu²⁺离子初始浓度对CTS-HAC 吸附性能的影响
• 5.2.6 时间对CTS-HAC 吸附性能的影响
• 5.2.7 温度对CTS-HAC 吸附性能的影响
• 5.2.8 重复性实验
• 5.3 本章小结
• 结论
• 本文创新之处
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢