PEI改性玉米芯磁性凝胶材料的制备及其重金属吸附研究

作     者：曾俊 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈志

授予年度：2022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：玉米芯 磁性凝胶 重金属吸附 吸附机理 

摘      要：重金属污染废水因极大危害而成为备受关注的环境问题,也是全球科研工作者的研究热点。治理重金属污染废水并资源化利用的方法有很多,其中吸附法因操作简单、高效,易工程化而被广泛应用。性能优异的吸附材料是吸附法得以应用的关键和前提。生物质类吸附材料因其优异吸附性能、环境友好、价廉物美、来源广泛而备受青睐。本研究以玉米芯(CC)生物质为原材料,分别采用碱(NaOH)、酸(HAc)、盐(ZnCl)溶液为活化剂,以戊二醛为交联剂,聚乙烯多胺(PEI)为化学改性剂,制备出吸附性能优良、选择性高的改性玉米芯磁性凝胶吸附材料PEI-CC@FeO(NaOH)、PEI-CC@FeO(HAc)和PEI-CC@FeO(ZnCl),并优化实验室制备条件,采用FT-IR、XRD、SEM-EDS、TGA等表征结构,阐明了合成工艺对磁性凝胶分子结构的影响及规律。通过吸附动力学、吸附热力学、等温吸附线探究了玉米芯磁性凝胶材料对Pb、Cu、Ni的吸附过程,采用XPS研究磁性凝胶吸附重金属的作用机理。研究成果为拓展玉米芯生物质的深度资源化利用提供了实验支撑和理论依据。实验结果表明:(1)玉米芯磁性凝胶具有三维网络多孔结构,比表面积大,显著提高其重金属饱和吸附量。通过NaOH、HAc、ZnCl溶液活化后制备的玉米芯磁性凝胶对Pb、Cu、Ni最大吸附量分别达到160.2 mg/g、132.8 mg/g和105.6 mg/g,且明显优于未改性的玉米芯。且活化剂对磁性凝胶吸附性能有重要影响,且碱酸盐,即制备的玉米芯磁性凝胶的吸附性能:PEI-CC@FeO(NaOH)PEI-CC@FeO(HAc)PEI-CC@FeO(ZnCl)。PEI占比及其分子量大小对玉米芯磁性凝胶的吸附性能显著提高。(2)环境条件对玉米芯磁性凝胶吸附Pb、Cu、Ni有重要影响。吸附量与p H、温度和吸附剂投加量呈正相关;重金属离子初始浓度越大,其吸附量越高;随着吸附时间的增加,磁性凝胶对重金属的吸附量也随之增大,3 h基本达到饱和。(3)竞争吸附研究表明,随着Na、Ca浓度的增加,磁性凝胶的重金属吸附量逐渐降低;PEI-CC@FeO(NaOH)对Pb具有良好的选择性,吸附强弱顺序为PbCuNi;PEI-CC@FeO(HAc)和PEI-CC@FeO(ZnCl)对Cu具有较高选择性,竞争吸附强弱顺序为CuPbNi。(4)吸附机理研究表明,凝胶分子结构中-NH和-OH等官能团起主要作用,以O1s和N1s电子与重金属离子的配位络合为主。吸附过程遵循拟二级动力学,吸附以化学吸附为主;吸附过程符合Langmuir等温吸附,属单分子层吸附特征;热力学数据证实吸附过程是自发吸热且熵增加的过程。