壳聚糖改性吸附剂的制备及其在重金属污染的污水和土壤处理中的应用

【摘要】：壳聚糖(CTS)是去除重金属离子的最有效的吸附剂之一，已被广泛应用于废水和受重金属污染的土壤的处理。壳聚糖分子中含有大量的氨基和羟基，能够有效地通过氢键、盐键、螯合等作用对重金属离子进行物理或化学吸附。但是，由于壳聚糖自身的缺点，如易溶胀，可溶于稀酸，力学性能差等，导致其很难被直接应用于废水中重金属污染的去除，而一般需要对壳聚糖进行物理或者化学改性以克服其不足之处。本研究制备了三种壳聚糖改性吸附剂，并进行吸附性能方面的研究。具体内容如下： 1.氨基硫脲-壳聚糖改性吸附剂的制备及其吸附Cr(Ⅵ)的研究 在微波辐射条件下，戊二醛先与氨基硫脲进行反应，再与壳聚糖进行接枝反应，合成出新型的氨基硫脲-壳聚糖改性吸附剂(GT-CTS)。运用红外光谱、扫描电镜、热重、X射线衍射和元素分析等表征了该产物的结构和形貌。XRD衍射和SEM结果表明，该产物具有较好的晶型结构，大小在微米级，这与一般的壳聚糖接枝物有所不同。考察了该吸附剂对Cr(Ⅵ)的吸附性能。吸附实验结果表明，该产物对初浓度为200mg.L-1的Cr(Ⅵ)的吸附容量在pH=2时达到340mg.g-1，比一般的壳聚糖接枝物要大。等温吸附研究表明，其吸附模型符合Langmuir等温模型。动力学研究表明，GT-CTS对Cr(Ⅵ)的吸附符合拟二级动力学。热力学分析表明，吸附过程焓变ΔH40kJ.mol-1，熵变ΔS较大，吉布斯自由能变ΔG0，即升温有利于吸附，过程吸热且是自发的化学吸附过程。 2.马来酸酐-壳聚糖改性吸附剂的制备及其吸附Pb2+的研究 水浴加热条件下，以壳聚糖为原料，制备了马来酸酐改性壳聚糖吸附剂，并对其进行显微镜观察和红外光谱分析，考察了不同因素如pH、接触时间和不同金属离子初始浓度下对Pb2+的吸附情况。实验结果表明，在初始溶度为0.02mol.L-1，pH=5时，该吸附剂对Pb2+的最大吸附量为595mg.g-1。其吸附动力学符合拟二级动力学模型，等温吸附符合Frenudlich模型，吸附剂可以再生使用。 3.丙烯酸-壳聚糖改性修复剂在重金属污染土壤处理中的应用 在微波条件下用水为反应溶剂，加入丙烯酸与壳聚糖-NH2进行Micheal加成反应，制得水溶性的丙烯酸改性壳聚糖修复剂。考察了该修复剂对土壤中重金属离子Pb2+、Cr(Ⅵ)和Cu2+的吸附性能，研究表明该修复剂比壳聚糖、EDTA、聚丙烯酸、羧甲基壳聚糖的吸附性能好，对重金属Pb，Cr，Cu的去除率最高分别为93%，80%，65%，修复后土壤的重金属含量达到农用土地一级标准。该修复剂的原料来源广泛，制备过程环保，修复方法简单易行，分离方便，可用于修复重金属污染土壤。 本文通过制备三种壳聚糖衍生物，用于不同重金属离子的吸附和重金属污染土壤的处理，研究表明具有较好的去除效果，因此将有可能用于重金属污染的废水或土壤的处理。 【关键词】：壳聚糖 改性 重金属离子 吸附 土壤
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O636.1;O647.33
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 绪论14-23
• 1.1 重金属的危害14
• 1.2 重金属污染的处理方法14-15
• 1.3 壳聚糖简介及其性质15-16
• 1.3.1 壳聚糖简介15-16
• 1.3.2 壳聚糖的性质16
• 1.4 改性的壳聚糖在处理 Cr(VI)废水中的应用16-21
• 1.4.1 物理改性17-18
• 1.4.1.1 与多孔无机物的复合改性17
• 1.4.1.2 与某些有机聚合物的复合改性17
• 1.4.1.3 有机/无机复合杂化改性17
• 1.4.1.4 磁化复合改性17-18
• 1.4.1.5 微生物固定化改性18
• 1.4.2 化学改性18-21
• 1.4.2.1 烷基化反应18
• 1.4.2.2 酰化反应18-19
• 1.4.2.3 醚化反应19
• 1.4.2.4 交联和接枝共聚反应19-20
• 1.4.2.5 Schiff 碱化反应20
• 1.4.2.6 季铵化反应20
• 1.4.2.7 羧甲基化反应20-21
• 1.5 改性的壳聚糖在吸附 Pb~(2+)方面的应用21
• 1.6 本研究的立题背景及研究内容21-23
• 1.6.1 立题背景21-22
• 1.6.2 研究内容22-23
• 第二章 氨基硫脲-壳聚糖改性吸附剂的制备及其吸附 Cr(Ⅵ)的研究23-42
• 2.1. 实验材料与装置24-25
• 2.1.1 试剂与仪器24
• 2.1.1.1 实验试剂24
• 2.1.1.2 实验仪器与设备24
• 2.1.2 微波恒温反应装置24-25
• 2.2 戊二醛交联氨基硫脲-壳聚糖改性吸附剂的微波制备25-26
• 2.2.1 戊二醛交联氨基硫脲-壳聚糖改性吸附剂的合成路线25
• 2.2.2 壳聚糖乙酸溶液的制备25
• 2.2.3 戊二醛交联氨基硫脲-壳聚糖改性吸附剂的微波制备25-26
• 2.3 吸附剂的基本性质26-27
• 2.3.1 溶解性26
• 2.3.2 壳聚糖氨基含量和脱乙酰度的测定26-27
• 2.4 性能表征27-29
• 2.4.1 结构与形貌表征27
• 2.4.1.1 红外光谱分析27
• 2.4.1.2 热重分析27
• 2.4.1.3 元素分析27
• 2.4.1.4 扫描电镜分析27
• 2.4.1.5 X-衍射分析27
• 2.4.2 吸附性能的测定27-29
• 2.4.2.1 Cr(Ⅵ)的标准曲线的绘制28
• 2.4.2.2 pH 对吸附容量的影响28
• 2.4.2.3 吸附动力学28
• 2.4.2.4 吸附等温线28-29
• 2.4.2.5 吸附热力学29
• 2.4.2.6 吸附剂用量的影响29
• 2.5 结果与讨论29-40
• 2.5.1 溶解性29
• 2.5.2 壳聚糖氨基含量和脱乙酰度的测定29
• 2.5.3 合成条件29-30
• 2.5.4 结构与形貌分析30-33
• 2.5.4.1 红外图谱分析30
• 2.5.4.2 热重分析30-31
• 2.5.4.3 元素分析31-32
• 2.5.4.4 扫描电镜结果分析32
• 2.5.4.5 X-衍射图分析32-33
• 2.5.5 吸附性能的研究33-40
• 2.5.5.1 吸附量的比较33
• 2.5.5.2 pH 对吸附容量的影响33-34
• 2.5.5.3 吸附动力学34-37
• 2.5.5.4 吸附等温线37-38
• 2.5.5.5 吸附热力学38-40
• 2.5.5.6 吸附剂用量的影响40
• 2.6 本章小结40-42
• 第三章 马来酸酐-壳聚糖改性吸附剂的制备及其吸附 Pb~(2+)的研究42-55
• 3.1 实验材料与装置42-44
• 3.1.1 试剂与仪器42-43
• 3.1.1.1 实验试剂42
• 3.1.1.2 实验仪器与设备42-43
• 3.1.2 水浴恒温反应装置43-44
• 3.2 马来酸酐改性壳聚糖吸附剂的制备44-45
• 3.2.1 马来酸酐改性壳聚糖吸附剂的合成路线44
• 3.2.2 壳聚糖乙酸溶液的制备44
• 3.2.3 马来酸酐改性壳聚糖吸附剂的制备44-45
• 3.3 吸附剂的基本性质及表征45-46
• 3.3.1 溶解性45
• 3.3.2 产品的表征45
• 3.3.2.1 产品的外观45
• 3.3.2.2 红外光谱分析45
• 3.3.3 吸附剂吸附性能实验45-46
• 3.3.3.1 EDTA 标准溶液的配置45
• 3.3.3.2 吸附容量的测定45-46
• 3.3.446
• 3.3.4.1 pH 对吸附容量的影响46
• 3.3.4.2 吸附动力学46
• 3.3.4.3 吸附等温线46
• 3.3.4.4 吸附热力学46
• 3.3.4.5 脱附以及吸附剂的重复使用46
• 3.4 结果与讨论46-54
• 3.4.1 溶解性46-47
• 3.4.2 产品的表征47-48
• 3.4.2.1 产品的外观47
• 3.4.2.2 红外光谱分析47-48
• 3.4.3 吸附性能的研究48-54
• 3.4.3.1 吸附量48
• 3.4.3.2 pH 值对吸附容量的影响48-49
• 3.4.3.3 吸附动力学49-51
• 3.4.3.4 吸附等温线51-52
• 3.4.3.5 吸附热力学52-53
• 3.4.3.6 脱附实验结果53-54
• 3.5 本章小结54-55
• 第四章 丙烯酸-壳聚糖改性修复剂在重金属污染土壤处理中的应用55-64
• 4.1 实验试剂与仪器56-57
• 4.1.1 实验试剂56
• 4.1.2 实验仪器与设备56-57
• 4.2 实验过程57
• 4.2.1 丙烯酸改性壳聚糖修复剂的合成路线57
• 4.2.2 水溶性修复剂的合成57
• 4.3 产品性能分析57-58
• 4.3.1 核磁共振氢谱分析57-58
• 4.3.2 元素分析58
• 4.3.3 产品溶解性58
• 4.4 重金属污染土壤修复实验58-61
• 4.4.1 土壤的采样与预处理58
• 4.4.2 消解土壤58
• 4.4.3 消解溶液中重金属离子（Pb、Cr(Ⅵ)、Cu）含量的测定58-59
• 4.4.4 土壤修复液的配制59-60
• 4.4.5 不同修复液对土壤样品的修复处理60
• 4.4.6 对照试验60-61
• 4.5 实验结果与讨论61-63
• 4.5.1 核磁共振氢谱分析61
• 4.5.2 元素分析61
• 4.5.3 溶解性61
• 4.5.4 CTS-AA 对各市重金属污染土壤的修复结果61-62
• 4.5.5 结果讨论62-63
• 4.6 本章小结63-64
• 结论64-66
• 参考文献66-74
• 攻读硕士期间取得的成果74-75
• 致谢75-76
• 附件76

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