壳聚糖衍生物的合成及其吸附性能研究

论文摘要

我国是一个水产大国,拥有丰富的水产资源,其中虾、蟹壳资源十分丰富,是工业化生产甲壳素和壳聚糖的主要原料。壳聚糖（Chitosan）是甲壳素（Chitin）的脱乙酰产物,化学名称为1,4-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖。壳聚糖具有无毒、可降解性以及良好的生物相容性,使它在医学、食品、造纸、化工以及酶的固定化载体等方面具有广泛的应用前景。但由于其分子呈紧密的晶体结构,从而限制了它的活性和应用,对壳聚糖进行改性就是为了改善其应用性能。因此,本研究将壳聚糖进行化学改性,并将得到的壳聚糖衍生物应用于吸附重金属、苯胺和亚硝酸盐氮的研究,为开发新型壳聚糖衍生物用作水处理剂提供基础研究数据。主要研究内容和结果如下:1、壳聚糖衍生物的合成通过正交试验,研究了壳聚糖用量、Fe2+起始浓度、溶液pH值三因素对壳聚糖亚铁离子配合反应的影响。结果表明,对于50mL反应体系,最佳反应条件为壳聚糖用量为0.1 g、Fe2+起始浓度为16 mg/mL、溶液pH值为2时,壳聚糖对Fe2+的配合量可达到413.54 mg/g。采用水浴恒温回流合成羟丙基壳聚糖亚铁离子配合物,考察了反应温度、时间、分散剂、催化剂用量对壳聚糖亚铁离子配合物羟丙基化产物取代度的影响。研究表明,壳聚糖亚铁离子配合物羟丙基化的最佳合成条件为:环氧丙烷、异丙醇、催化剂与壳聚糖亚铁离子配合物的量比为10 mL:8 mL:1 mL:1 g,在60℃条件下,恒温回流醚化6 h,所得产物取代度为0.61。2、壳聚糖衍生物的表征脱乙酰度和粘均分子量是壳聚糖两项主要性能指标,测定结果分别为脱乙酰度为91.3%,粘均分子量为Mw=1.189×103。壳聚糖亚铁离子配合物通过紫外光谱扫描,推断出-NH2是壳聚糖分子中的主要吸附部位。通过碘仿反应定性分析,壳聚糖亚铁离子配合物羟丙基化得到的产物中存在着[-CH2CH（OH）CH3-]结构。经过溶解实验发现该产物具有较好的水溶性。3、壳聚糖衍生物吸附苯胺、亚硝酸盐性能的研究探讨了不同条件下,壳聚糖及其改性壳聚糖HPCS-Fe（Ⅱ）对苯胺和亚硝酸盐的吸附特性。研究结果表明:羟丙基壳聚糖亚铁离子配合物（HPCS-Fe（Ⅱ））对苯胺和亚硝酸盐氮的吸附性能均比改性前的壳聚糖强。在pH值为4,吸附时间150 min,吸附剂用量为0.05 g时,HPCS-Fe（Ⅱ）对苯胺的吸附量最大（5.401 mg/g）,吸附率为26.019%。在pH值为5,吸附时间90 min,吸附剂用量为0.05 g时,HPCS-Fe（Ⅱ）对亚硝酸盐氮的吸附量最大,为0.139 mg/g,吸附率为19.892%。4、壳聚糖衍生物对重金属吸附动力学的研究通过壳聚糖衍生物羟丙基壳聚糖亚铁离子配合物对重金属动态吸附试验的研究,并进行吸附动力学模型、吸附热力学模型拟合。结果是:HPCS-Fe（Ⅱ）对Cu2+、Pb2+、Cd2+的吸附动力学过程不符合一级吸附动力学模型,但与二级吸附动力学模型具有较好的拟合性。HPCS-Fe（Ⅱ）对Cu2+、Pb2+的吸附热力学过程符合Langmuir等温吸附模型,但对Cd2+的吸附过程不符合Langmuir等温吸附模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 重金属水污染概况及处理方法研究进展
• 1.1.1 重金属水污染现状
• 1.1.2 重金属废水来源及危害
• 1.1.3 重金属废水处理方法
• 1.2 苯胺、亚硝酸盐废水污染概况及处理方法研究进展
• 1.2.1 苯胺、亚硝酸盐废水来源及危害
• 1.2.2 苯胺、亚硝酸盐废水处理方法
• 1.3 壳聚糖化学改性研究及其在水处理方面的应用
• 1.3.1 壳聚糖简介
• 1.3.2 壳聚糖化学性质
• 1.3.3 壳聚糖及其衍生物在水处理方面的应用
• 1.4 立题背景和意义
• 1.5 主要研究内容
• 2 壳聚糖衍生物的合成
• 2.1 前言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 材料与试剂
• 2.2.2 仪器与设备
• 2.2.3 实验方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 壳聚糖亚铁离子配合物正交试验结果
• 2.3.2 壳聚糖衍生物的合成
• 2.3.3 取代度标准曲线的绘制
• 2.3.4 反应温度对产品取代度的影响
• 2.3.5 反应时间对产品取代度的影响
• 2.3.6 分散剂用量对产品取代度的影响
• 2.3.7 催化剂用量对产品取代度的影响
• 2.3.8 反应物用量对产物取代度的影响
• 2.4 本章小结
• 3 壳聚糖衍生物的表征
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 材料与试剂
• 3.2.2 仪器与设备
• 3.2.3 实验方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 壳聚糖脱乙酰度测定
• 3.3.2 壳聚糖分子量的测定
• 3.3.3 壳聚糖亚铁离子配合物的紫外吸收光谱分析
• 3.3.4 壳聚糖衍生物定性分析
• 3.3.5 溶解性测定
• 3.4 本章小结
• 4 壳聚糖衍生物吸附苯胺、亚硝酸盐性能的研究
• 4.1 前言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 材料与试剂
• 4.2.2 仪器与设备
• 4.2.3 实验方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 苯胺、亚硝酸盐氮标准曲线的绘制
• 4.3.2 吸附时间对吸附苯胺、亚硝酸盐氮的影响
• 4.3.3 pH 值对吸附苯胺、亚硝酸盐氮的影响
• 4.3.4 吸附剂用量对吸附苯胺、亚硝酸盐氮的影响
• 4.4 本章小结
• 5 壳聚糖衍生物对重金属吸附动力学的研究
• 5.1 前言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 材料与试剂
• 5.2.2 仪器与设备
• 5.2.3 实验方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 吸附动力学特性
• 5.3.2 等温吸附特性
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 导师简介