黄原酸化改性壳聚糖的制备及其性能研究

作     者：赵燕侠 

作者单位：兰州交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈学民;王刚;王茂玉

授予年度：2020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] 

主      题：壳聚糖改性 螯合沉淀 高分子絮凝剂 重金属废水 

摘      要：重金属废水来源广、毒性大,目前针对以此类废水的所有处理方法中,用高分子螯合絮凝剂去除重金属的方法新颖而高效,具有经济、操作简单、易沉降分离、不产生二次污染等诸多优点,同时还可以有效降低实际废水中的浊度。而作为絮凝剂优选产物壳聚糖(CTS),因其资源丰富、价格低廉且不易造成二次污染被广泛应用。因此,文章以CTS为母体,在已有产物黄原酸化席夫碱壳聚糖(XCTS)的基础上,分别通过两种途径(盐酸、硼氢化钠)将XCTS中的亚胺转化为伯胺和仲胺,制备出两种新型重金属螯合絮凝剂O-黄原酸化壳聚糖(AXCTS)和O-黄原酸基-N-苄基壳聚糖(RXCTS),以进一步提升和改进其性能。本文采用单因素实验法及正交实验法确定了AXCTS和RXCTS的最佳制备条件,测定了两种产物性质;选用Cu和Cd两种重金属离子来研究产物的螯合效能,考察了絮凝实验水力条件、重金属离子的初始浓度、初始pH值、浊度及有机配位剂乙二胺四乙酸二钠、柠檬酸钠和焦磷酸钠等因素的影响。结合红外分析、能谱与扫描电镜等手段探究了絮凝后四种螯合絮体AXCTS-Cu、AXCTS-Cd、RXCTS-Cu和RXCTS-Cd的结构特征、化学组成和表面形貌,测得絮体稳定性以及重金属回收性能。主要实验结果如下:(1)影响AXCTS制备的主要因素为反应体系pH值、反应时间和反应温度,RXCTS制备的主要影响因素为反应物比例、反应时间和反应温度。以水样中Cu的去除率为考察对象,通过单因素实验及正交实验,最终确定AXCTS最佳制备条件为反应体系pH值为10.0,反应时间1h,反应温度30℃;确定RXCTS的最佳制备条件n(CTS):n(NaBH)=1:1.5、反应时间为0.5h、反应温度为30℃。(2)AXCTS和RXCTS在自来水中的等电点pH分别为2.18和3.02,在蒸馏水中的等电点pH分别为2.73和3.24;宜置于4℃冰箱中保存;通过对AXCTS和RXCTS进行元素分析、红外分析与能谱发现AXCTS和RXCTS分子链上成功地接枝了黄原酸基,同时XCTS中的–N基团被盐酸酸解为AXCTS中的–NH,被硼氢化钠还原为RXCTS中的–NH–;通过扫描电镜观测,到AXCTS和RXCTS固体颗粒表面积均较大,有利于对重金属离子的吸附架桥。(3)AXCTS和RXCTS处理含Cu和含Cd水样时均在最佳水力条件下进行,具体表现为AXCTS除Cu时最佳水力条件为快搅1.5min,速度140r/min,慢搅20min,速度40r/min,除Cd时最佳水力条件为快搅2.0min,速度180r/min,慢搅20min,速度40r/min;RXCTS除Cu时最佳水力条件为快搅2.0min,速度140r/min,慢搅20min,速度40r/min,除Cd时最佳水力条件为快搅2.0min,速度160r/min,慢搅15min,速度40r/min;当Cu浓度为25mg/L,水样pH值调至6.0,AXCTS投药量120mg/L时,Cu去除率可达97.70%,相较于XCTS对Cu的去除率92.42%,其效果明显提高;若在同样水样中加入RXCTS,则仅需60mg/L投药量Cu去除率即可达去除率98.82%;有机配位剂对AXCTS和RXCTS的除Cu以及除Cd性能产生一定的影响,EDTA明显抑制AXCTS和RXCTS对Cu和Cd的去除,焦磷酸钠和柠檬酸钠影响效果相似;水样中加入高岭土后在一定投药量下可以促进AXCTS和RXCTS对Cu和Cd的去除,AXCTS和RXCTS具有去除重金属和除浊的双重效能。(4)经红外分析和能谱可知AXCTS和RXCTS中–OCSS、–NH和–NH–均与重金属离子发生反应;扫描电镜分析,改性后的AXCTS和RXCTS与重金属螯合后絮体颗粒较XCTS大而紧实;絮体的稳定性较好,在浸出液pH值在2～12范围内,AXCTS-Cu、AXCTS-Cd、RXCTS-Cu和RXCTS-Cd浸出率最高为77.93%、58.46%、75.36%、59.91%。AXCTS除Cu和Cd时螯合后絮体中Cu和Cd可用硝酸回收,最高回收率分别为91.56%和93.97%;RXCTS除Cu时螯合后絮体中Cu可用硫酸回收,而除Cd时絮体Cd可用盐酸回收,最高回收率分别为86.10%和92.05%。(5)AXCTS和RXCTS对冶炼厂实际含铜废水的处理效果良好,去除率最高分别可达95.09%和97.89%,处理后污水可达标排放,且废水中浊度也能明显降低,在水样pH值为6.0时能从223NTU分别降至1.59NTU和2.47NTU,可见将AXCTS和RXCTS应用在重金属废水处理方向具有较好的前景。