新型材料对水中纳米微粒和多种重金属的吸附及应用研究

作     者：王厦 

作者单位：西南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄玉明

授予年度：2014年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：TESM 重金属 MWCNTs 纳米微粒 PDDA-Fe3O4 吸附 

摘      要：生物吸附材料、炭质吸附材料和磁性吸附材料等新型材料已被成功应用于环境水体中多种污染物吸附去除的研究中。重金属污染对人类的身体健康和生态系统造成了严重的威胁,是世界关注的热点之一。随着纳米技术的不断发展,由纳米微粒引发的对生态环境及生物健康的负面影响也逐渐受到了大家的重视。本文研究了巯基功能化的蛋壳膜(TESM)对水中多种重金属Cr(VI)、Hg(II)、Cu(II)、Pb(II)、Cd(II)和Ag(Ⅰ)的吸附性能,多壁碳纳米管(MWCNTs)对水中纳米微粒的吸附及聚(二甲基二烯丙基氯化铵)(PDDA)修饰的四氧化三铁纳米粒子(PDDA-Fe3O4)对银纳米微粒(Ag NPs)的吸附性能。 1.实验基于蛋壳膜(ESM)上的二硫键与巯基乙酸铵之间的氧化还原反应合成了TESM。本研究对这种新型生物吸附材料进行了表征并将其应用于环境水体中多种重金属离子Cr(VI)、Hg(II)、Cu(II)、Pb(II)、Cd(II)和Ag(Ⅰ)的去除。结果表明,TESM对以上六种重金属离子具有较好的结合能力,吸附动力学均符合准二级动力学方程,吸附等温线符合Langmuir等温模型,最大吸附量可分别达到113.64、138.89、46.73、32.47、23.70和129.87mg/g,与未经修饰的ESM相比,分别增加了1.6、5.5、7.7、12.4、12.7和21.1倍。本研究还通过拉曼光谱和XPS对吸附机理进行了讨论,TESM不仅可以吸附去除重金属离子,还可以将Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ),实现Cr(Ⅵ)的解毒。实验中还考察了水环境的pH、共存物质和不同水体基质对吸附的影响,并将其作为柱填料成功应用于实际工业废水中重金属离子的去除。该生物吸附材料吸附性能高、成本低、环境友好,在水处理方面有一定的应用潜力。 2.本研究将炭质吸附材料MWCNTs应用于环境水体中金属纳米微粒如Citrate-Ag NPs、PVP-Ag NPs、Citrate-Au NPs和PVP-Au NPs的吸附。实验中探讨了MWCNTs的直径对纳米微粒吸附性能的影响,并对比了MWCNTs及表面羧基化MWCNTs对纳米微粒吸附性能的差异,结果表明MWCNTs的直径越大吸附效果越好,表面羧基化不利于MWCNTs对带负电荷的纳米微粒的吸附。我们还探讨了纳米微粒的配体及环境因素如溶液的pH、离子强度、腐殖酸浓度对吸附体系的影响。在对吸附动力学和等温线的考察中发现,MWCNTs对以上四种纳米微粒的吸附动力学均符合准二级动力学方程,吸附等温线符合Langmuir等温模型,最大吸附量可分别达到476.19、64.10、666.67和99.01mg/g,可以有效的吸附水中的纳米微粒。 3.本实验使用廉价、绿色的聚阳离子电解质PDDA,通过共沉淀法,温和、简便、快速地合成了PDDA-Fe3O4,并将其用于水体中Ag NPs的吸附研究。实验中对PDDA-Fe3O4进行了TEM、FT-IR、XRD、饱和磁化强度、zeta电位的表征测定,并研究了pH、腐殖酸和Ag NPs配体对吸附体系的影响。结果表明,PDDA-Fe3O4对Ag NPs的吸附动力学符合准二级动力学,吸附等温线符合Langmuir等温模型,用不同量的PDDA修饰的PDDA-Fe3O4-0.1、PDDA-Fe3O4-0.5、PDDA-Fe3O4-1及PDDA-Fe3O4-2对Citrate-Ag NPs的最大吸附量分别为357.14、500.00、526.32及588.24mg/g,均远远高于未经修饰的Fe304的最大吸附量14.49mg/g。由于具有较好的磁性,PDDA-Fe3O4在外加磁场的作用下可与水溶液实现快速分离,因此,可以作为一种廉价、绿色、高效的吸附材料用于水溶液中Ag NPs的吸附。