高强度高容量聚乙烯醇离子交换纤维的制备与应用

论文摘要

离子交换纤维是一种纤维状离子交换材料。它与离子交换树脂相比,具有更大的比表面积,交换与洗脱速度更快,可以以各种形式应用,如纤维、纱线、织物、非织造布等,适用于各种方式的离子交换过程。可用于电子纯水、医药用水制备、生物制剂制备、工业污水处理、有毒和恶臭气体吸附、催化剂载体、贵重金属回收、海洋稀有金属采集等,是一种有着广阔发展前景的新型功能材料。但是,现有离子交换纤维普遍存在着强度低、交换容量小等缺点。本文以高强高模聚乙烯醇纤维为原料,通过缩苯甲醛化、半碳化处理使纤维进一步交联,以满足以后使用的要求,然后分别进行磺化处理和巯化反应,制备了以高强聚乙烯醇纤维为基体的阳离子交换纤维和螯合纤维。本文对聚乙烯醇离子交换纤维的制备工艺及其在处理含重金属离子废水中的应用进行了较深入研究,得到了高强度、高交换容量的螯合纤维,克服了以往离子交换纤维机械性能和交换容量难以兼顾的缺点,具有较高的实用价值。研究结果表明: 1、纤维缩苯甲醛化反应的最佳条件为:苯甲醛、硫酸、氯化锌的浓度分别为190g/L、73.6g/L、60g/L,浴比1:50,65℃反应90min,纤维的最大缩苯甲醛度可达到12.2%;纤维的缩醛化温度不能超过70℃,否则纤维会在反应过程中溶解;改变氯化锌的浓度,对缩醛度没有明显影响。 2、半碳化处理对聚乙烯醇阳离子交换纤维制备的影响很大。最佳半碳化温度为200℃,半碳化时间应多于60min,否则强度无法保证:阳离子交换纤维交换容量的大小与半碳化及磺化时间有关,半碳化60min、磺化8h的纤维交换容量最大。 3、巯基聚乙烯醇螯合纤维的最佳制备工艺为:缩苯甲醛并半碳化处理90min后的纤维2g,依次加入巯基乙酸20mL、乙酸酐18mL、36%乙酸10mL、浓硫酸0.2mL和去离子水5mL,于30℃恒温烘箱中放置96h。 4、本实验制得的聚乙烯醇阳离子交换纤维,对水溶液中Na+有较好的交换性,交换容量最高可达2.55mmol/g,且经多次使用后交换柱中没有发现残渣,有效地避免了二次污染,说明该纤维在水处理过程中有很强的实用性。 5、本实验制得的巯基纤维在水溶液中对部分重金属离子具有良好的吸附性,吸附容量较高,对Cu2+、Zn2+、Pb2+的最大吸附量均在1mmol/g左右,且可多次反复使用,适合于工业废水中有害离子的滤除。其强度达到4.04CN/dtex,接近普通聚乙烯醇纤维的强度,具有较高的实用性。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 国内外离子交换纤维的发展概况
• 1.2 离子交换纤维的结构与性能
• 1.3 离子交换纤维的一般制备方法
• 1.3.1 化学改性法
• 1.3.2 纤维内聚合法
• 1.3.3 基链上具有活性基的共聚物成纤法
• 1.3.4 聚合物混合成纤法
• 1.3.5 其它制备方法
• 1.4 离子交换纤维的分类
• 1.5 离子交换纤维的性能表征
• 1.5.1 离子交换纤维的酸碱特性
• 1.5.2 离子交换纤维的交换容量
• 1.6 离子交换纤维的应用
• 1.6.1 用于净化和分离气体
• 1.6.2 用于去离子水制备和工业废水净化
• 1.6.3 用于提取稀土元素、贵金属
• 1.6.4 在核工业方面的应用
• 1.6.5 生化产物的分离萃取
• 1.6.6 在卫生及医用纺织品方面的应用
• 1.6.7 在其它领域的应用
• 1.7 聚乙烯醇离子交换纤维的研究现状
• 1.7.1 直接进行化学改性
• 1.7.2 在缩醛交联后引入活性基团
• 1.7.3 经脱水后再功能化
• 1.7.4 接枝共聚—功能化法
• 1.8 本课题研究的内容及意义
• 第二章 高强聚乙烯醇阳离子交换纤维的制备及应用
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料、试剂与仪器
• 2.2.2 高强高模聚乙烯醇纤维的制备
• 2.2.2.1 纺丝原理
• 2.2.2.2 纺丝工艺
• 2.2.3 聚乙烯醇基阳离子交换纤维的制备
• 2.2.3.1 聚乙烯醇纤维的缩醛化处理
• 2.2.3.2 聚乙烯醇纤维的半碳化处理
• 2.2.3.3 聚乙烯醇纤维的磺化处理
• 2.2.4 聚乙烯醇阳离子交换纤维交换容量的测定
• 2.2.5 性能测试
• 2.2.5.1 断裂伸长与断裂强度的测定
• 2.2.5.2 扫描电子显微镜
• 2.2.5.3 红外光谱测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 高强高模聚乙烯醇纤维的性能特点
• 2.3.2 高强聚乙烯醇纤维最佳缩醛工艺的研究
• 2.3.2.1 反应时间对缩苯甲醛化反应的影响
• 2.3.2.2 反应温度对缩苯甲醛化反应的影响
• 2.3.2.3 浴比对缩苯甲醛化反应的影响
• 2.3.2.4 氯化锌浓度对缩苯甲醛化反应的影响
• 2.3.2.5 苯甲醛浓度对缩苯甲醛化反应的影响
• 2.3.3 高强聚乙烯醇纤维半碳化工艺的研究
• 2.3.4 高强聚乙烯醇纤维的磺化条件和交换容量的关系
• 2.3.5 性能分析
• 2.3.5.1 纤维的微观形貌
• 2.3.5.2 纤维的强度
• 2.3.5.3 纤维的红外分析
• 2.4 结论
• 第三章 聚乙烯醇螯合纤维的制备及其吸附性能的研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原料、试剂与仪器
• 3.2.2 巯基聚乙烯醇纤维的制备
• 3.2.3 巯基纤维对铜、锌、铅过渡金属离子吸附性能的测定
• 3.2.3.1 不同pH值条件下吸附容量的测定
• 3.2.3.2 不同吸附时间时吸附容量的测定
• 3.2.3.3 初始浓度不同时吸附容量的测定
• 3.2.4 纤维的洗脱与再生
• 3.2.5 性能测试
• 3.2.5.1 扫描电子显微镜
• 3.2.5.2 断裂伸长率与断裂强度的测定
• 3.2.5.3 红外光谱测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 巯基聚乙烯醇纤维的制备
• 3.3.2 巯基纤维对金属离子吸附性能的研究
• 3.3.2.1 pH值对吸附的影响
• 3.3.2.2 对铜、锌、铅离子的吸附动力学
• 3.3.2.3 初始浓度对吸附的影响
• 3.3.3 纤维的再生性能
• 3.3.4 性能分析
• 3.3.4.1 纤维的微观形貌
• 3.3.4.2 纤维的强度
• 3.3.4.3 纤维的红外分析
• 3.3.5 巯基纤维性能比较
• 3.4 结论
• 第四章 研究结论与创新点
• 4.1 研究结论
• 4.1.1 关于功能纤维制备的结论
• 4.1.2 关于纤维性能的结论
• 4.1.3 关于纤维吸附重金属离子的结论
• 4.2 创新点
• 致谢
• 参考文献
• 硕士期间发表文章