硅藻基Cr(Ⅵ)表面离子印迹吸附材料的形成及其吸附研究

作     者：张航 

作者单位：桂林理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈南春

授予年度：2021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）] 081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：硅藻 表面离子印迹 Cr(Ⅵ)离子 形成过程 选择性吸附 

摘      要：近年来,随着重工业飞速发展,由采矿、皮革鞣制、电镀、木材防腐、油漆制造以及金属加工排放的含Cr(Ⅵ)离子废水进入环境。本研究为解决Cr(Ⅵ)离子对环境带来的严重威胁,采用硅藻作为基体材料,选取3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)为功能单体、环氧氯丙烷(ECH)为交联剂、CrO为模板离子,通过表面离子印迹技术合成了一种环境友好型的硅藻基Cr(Ⅵ)表面离子印迹吸附材料(DE/Cr(Ⅵ)-ⅡP),用于快速高效的识别并去除水体中的Cr(Ⅵ)离子。通过一系列测试手段对DE/Cr(Ⅵ)-ⅡP的形成过程进行表征分析,并研究DE/Cr(Ⅵ)-ⅡP的吸附性能、选择性和可重复利用性以及功能单体APTES的接枝情况。通过观察DE/Cr(Ⅵ)-ⅡP制备过程中的SEM图像可以发现:与活化硅藻(At-DE)相比,DE/Cr(Ⅵ)-ⅡP的硅藻表面出现一层新物质,表面孔的周围形成较多新的微孔。通过扫描电子显微镜能谱(EDS)图观察到功能单体APTES中含有的N元素在经过离子印迹过程后均匀分布于硅藻表面,说明功能单体APTES成功在硅藻表面引入,形成良好的结合效果。通过XRD图谱的对比可知,离子印迹过程不会破坏硅藻非晶态的二氧化硅结构。根据DE/Cr(Ⅵ)-ⅡP的FT-IR测试结果可知,印迹后硅藻表面的孤立硅羟基伸缩振动峰消失,新增N-H、C-N、C-H振动峰。同时DE/Cr(Ⅵ)-ⅡP的X射线光电子能谱(XPS)Si 2p拟合图谱中Si-C,N 1s拟合图谱中N-H峰,C 1s拟合图谱中C-N、C-H振动峰的出现,证明了APTES醇解后与硅藻表面孤立硅羟基发生缩合反应,两者之间通过共价键结合在一起。通过对At-DE和DE/Cr(Ⅵ)-ⅡP的比表面积和孔体积分析,DE/Cr(Ⅵ)-ⅡP的比表面积大幅增加,说明经过印迹过程后的硅藻表面存在了大量的多孔型物质,增加了材料的可吸附表面积。同时孔体积和平均孔径呈现降低趋势,也说明了DE/Cr(Ⅵ)-ⅡP形成了较多新的微孔结构。对DE/Cr(Ⅵ)-ⅡP进行TGA分析可知,与硅藻表面活性孤立羟基直接键合的APTES约为6.91 wt%,说明APTES在硅藻表面结合效果较好。根据Zeta电位的测试结果可知,在一定的溶液酸碱度范围内,DE/Cr(Ⅵ)-ⅡP的表面电性和Cr(Ⅵ)离子的电性相反,所以在DE/Cr(Ⅵ)-ⅡP吸附Cr(Ⅵ)离子的过程中存在静电吸附的协同效应,可以提高吸附效果。采用单因素吸附试验探究了DE/Cr(Ⅵ)-ⅡP对Cr(Ⅵ)离子的最佳吸附条件:在25℃,溶液p H值为2.5,DE/Cr(Ⅵ)-ⅡP投加量为100 mg,Cr(Ⅵ)离子溶液初始浓度为10 mg/L,吸附时间为120 min时,DE/Cr(Ⅵ)-ⅡP对Cr(Ⅵ)离子的去除率可达到99.88%,吸附后Cr(Ⅵ)离子浓度符合《中华人民共和国污水综合排放标准》(GB8978-1996)废水中Cr(Ⅵ)离子最高允许排放浓度为0.5 mg/L的排放标准。吸附等温线和吸附动力学研究表明:吸附过程符合Langmuir等温吸附模型以及准二级动力学模型,DE/Cr(Ⅵ)-ⅡP吸附剂的硅藻表面存在单分子层空腔,Cr(Ⅵ)离子以单分子层吸附的形式与DE/Cr(Ⅵ)-ⅡP相结合,吸附过程主要由化学吸附来控制。吸附性能研究表明:DE/Cr(Ⅵ)-ⅡP具有良好的吸附效果、选择性和可重复利用性,硅藻基Cr(Ⅵ)表面离子印迹吸附材料是去除废水中Cr(Ⅵ)离子的一种可供选择的方法。