海藻酸钠基复合吸附材料的制备及对重金属离子的吸附研究

作     者：高志敏 

作者单位：山东建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：武道吉

授予年度：2016年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：海藻酸钠 羧甲基纤维素钠 聚乙二醇 离子液体 重金属吸附 

摘      要：随着人口的持续增长,现代经济的加速发展,如何有效地处理重金属废水已成为水处理领域的研究重点。吸附法同传统的重金属处理技术比,主要有以下特点：吸附剂原料价廉易得;易于分离回收重金属;节能、高效：可选择性地去除低浓度的重金属离子。本文以海藻酸钠(SA)为原料,采用共混交联的方法,以CaCl2为交联剂,分别向海藻酸钠中加入生物聚合物——羧甲基纤维素钠(CMC)、聚乙二醇(PEG)和离子液体(ILS),制备海藻酸钠基高分子凝胶球：SA-CMC凝胶球、SA-PEG凝胶球和SA-ILS凝胶球。通过单因素试验研究了三种凝胶球吸附剂对模拟废水中重金属Pb2+和Cu2+的去除效果,探讨了溶液pH、金属离子初始浓度、反应温度、吸附剂量和时间对金属离子吸附的影响,并利用Langmuir、Freudlich和Dubinin-Radushkevich (D-R)吸附等温模型,Lagergen准一级、准二级和粒子内扩散动力学模型,以及吸附热力学模型对凝胶球吸附Pb2+和Cu2+进行了研究分析;同时也研究了凝胶球的解吸再生,对凝胶球的结构进行了表征,探索了凝胶球的吸附机制。对SA-CMC凝胶球,通过静态吸附试验和比表面积及孔径分析,研究发现制备SA-CMC凝胶球的质量最佳配比为1：1,对Pb2+的最佳吸附条件为：溶液pH值为4.0-5.0,金属离子初始浓度为5mg·L-1,温度为35±2℃,吸附剂凝胶球的加入量为0.8g,振荡时间为18h。在等温学方面,吸附Pb2+的平衡数据最符合Langmuir等温吸附模型,表明Pb2+在SA-CMC凝胶球上的吸附是单分子层的。在动力学方面,则吸附数据更符合准二级动力学模型,说明吸附以化学吸附为主。对SA-PEG凝胶球和SA-ILS凝胶球,通过静态吸附试验,研究发现两种凝胶球对重金属离子Pb2+和Cu2+的最佳吸附条件为：溶液pH值为5.0,金属离子初始浓度为5mg·L-1,温度为20℃,吸附剂凝胶球的加入量为0.8g,振荡时间为300min。在等温学方面,两种吸附剂吸附Pb2+和Ca2+的平衡数据最符合Freudlich等温吸附模型,其次是D-R等温吸附模型,表明Pb2+和Cu2+在SA-PEG凝胶球和SA-ILS凝胶球上的吸附是不均匀的,且通过计算D-R模型中的平均吸附能E可知,SA-PEG凝胶球和SA-ILS凝胶球对Pb2+和Cu2+的吸附过程主要为化学吸附。在动力学方面,吸附数据更符合准二级动力学模型,说明吸附以化学吸附为主,且内扩散模型数据表明,粒子内扩散并不是吸附过程唯一的速率控制步骤,吸附过程可能还受到表面吸附、液膜扩散等方面的影响。在热力学方面,在不同温度下,计算得到的吉布斯自由能AG°均小于0,拟合的熵变ΔS°和焓变ΔH°皆小于0,说明吸附过程是自发、放热的;并且拟合得到的焓变ΔH°值的大小也证明了两种凝胶球对Pb2+和Cu2+的吸附是以化学吸附为主的。凝胶球解吸再生的数据表明,凝胶球可以用0.1mol·L1 HCl溶液解吸再生,解吸5次后,凝胶球对Pb2+仍然有较高的去除率(90%左右)。通过对吸附剂表征的研究,得到了以下主要结论：对比凝胶球吸附前后的傅里叶红外光谱(FT-IP),发现在吸附金属离子后,SA-CMC、SA-PEG和SA-ILS凝胶球上O-H和COO-键处的峰值均有所增加,表明凝胶球上的O-H和COO-基团可能在吸附过程中与金属离子Pb2+和Cu2+发生了反应;扫描电镜图(SEM)揭示了凝胶球的表面微观特征,表明SA-CMC、SA-PEG和SA-ILS凝胶球呈网络状结构;X射线能谱图(EDS)则证明了重金属离子被吸附在了凝胶球上。综上,三种凝胶球对重金属离子的吸附机理总结如下：：(1)物理吸附,羧甲基纤维素钠、聚乙二醇和离子液体交联改性后的凝胶球获得了较多的表面和内部孔隙结构,为Pb2+和Cu2+提供了较多的吸附位点;(2)化学吸附,凝胶球结构中COO-和-OH中的O具有孤对电子,而Pb2+和Cu2+提供空轨道,所以其对Pb2+和Cu2+具有络合配位作用;(3)静电吸附,由于凝胶球表面带负电荷,而Pb2+和Cu2+等金属阳离子带正电荷,它们之间产生静电吸附。