新型重金属吸附材料 ——细菌纤维素的制备与改性

论文摘要

以葡糖杆菌（Gluconacetobacter xylinum）为生产菌株合成细菌纤维素,实现了多糖到纤维素的生物转换,与其他化学方法相比,不仅工艺简单、产量高、能耗物耗低,而且,与自然界存在的植物纤维素相比,其具有天然的纳米结构及纯度高、结晶度高、吸水性强、抗张强度好、生物适应性强、可自然降解等特性,因此在其合成技术及应用研究等领域倍受关注,是当今材料领域研究的热点之一。本文围绕基于细菌纤维素的新型重金属吸附材料开发,一方面,优化以葡糖杆菌为生产菌株合成细菌纤维素的工艺条件,探讨细菌纤维素的改性方法,制备细菌纤维素、羧甲基细菌纤维素和二乙烯三胺细菌纤维素等样品;另一方面,在表征其基本结构与特性的基础上,重点考察样品对重金属离子的吸附性能。具体工作如下;细菌纤维素的生物合成、表征及其吸附性能在系统探讨接种量、pH值、培养液体积、培养液表面积、发酵时间对葡糖杆菌发酵合成细菌纤维素的产率影响基础上,优化细菌纤维素的合成工艺及参数。通过乌氏粘度计、红外光谱等测定,细菌纤维素与常规纤维素的结构相符合,聚合度为2380,产物纤维素含量为95.6%,细菌纤维素的持水率为98.0%。X-射线衍射、扫描电镜、原子力显微镜和热稳定分析测试结果则表明;细菌纤维素晶型为纤维素I,结晶度为83.2%,形态结构由纳米级的纤维束贯穿而成的网状结构,热分解温度为259.6℃。考察了细菌纤维素对Cu2+、pb2+的静态吸附性能。探讨了各种不同条件;溶液pH值、吸附时间、吸附剂用量和重金属离子初始浓度对吸附效果的影响,确定了其吸附的最佳条件。研究发现,吸附最适pH值为5左右;吸附平衡时间为60min;吸附过程符合二级反应动力学模型;等温吸附在试验浓度范围内符合Langmuir方程,其理论最大吸附量为11.17mg/g和24.57mg/g。羧甲基细菌纤维素的制备、表征及其吸附性能通过直接在培养基中添加水溶性的羧甲基纤维素（CMC）一步法制备了羧甲基细菌纤维素,其持水率随着培养基中羧甲基纤维素含量的增加而增大;当培养基中羧甲基纤维素的含量为O.5%（w/v）时,羧甲基细菌纤维素中羧甲基纤维素的取代度达到最大（10.4%）;红外光谱、扫描电镜、X-射线衍射分析测试结果则表明;羧甲基纤维素成分的存在;纤维网孔、晶粒尺寸较细菌纤维素的大。羧甲基细菌纤维素对Cu2+、Pb2+的静态吸附实验结果表明;吸附最适pH值为5左右;吸附平衡时间为60min;吸附符合动力学二级反应模型;等温吸附在试验浓度范围内符合Langmuir方程,其理论最大吸附量分别是20.35mg/g和65.53mg/g。对Cu2+、pb2+的理论最大吸附量较细菌纤维素分别提高45.1%和62.5%。二乙烯三胺细菌纤维素的制备、表征及其吸附性能制备了二乙烯三胺细菌纤维素,通过红外光谱和元素分析测试结果表明;氨基的存在,其含氮量为13.56%。初步研究二乙烯三胺细菌纤维素对重金属离子的静态吸附性能。结果表明,其吸附符合Langmuir等温吸附模型,pH=5时,对Cu2+的理论最大吸附量为25.42mg/g,对Cu2+的理论最大吸附量较细菌纤维素提高56.1%,表明改性后的细菌纤维素吸附效果要好于未经改性的细菌纤维素。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 水环境重金属污染概况
• 1.2 吸附剂的种类及特征
• 1.3 细菌纤维素的制备、特征及应用
• 1.4 本论文研究的目的及意义
• 第二章 细菌纤维素的合成及结构的初步分析
• 2.1 材料和仪器
• 2.2 实验与分析方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.4 小结
• 第三章 细菌纤维素对重金属离子的吸附性能研究
• 3.1 材料与仪器
• 3.2 实验与分析方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 小结
• 第四章 羧甲基细菌纤维素的制备表征及其吸附性能研究
• 4.1 材料与仪器
• 4.2 实验与分析方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 小结
• 第五章 二乙烯三胺细菌纤维素的制备表征及其吸附性能初探
• 5.1 材料和仪器
• 5.2 实验与分析方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 附录1 水质铜、铅、锌、镉的测定原子吸收分光光度法
• 研究生期间发表论文
• 致谢