天然高分子基有机/无机三维网络吸附剂的制备及吸附性能研究

作     者：王婷婷 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韩志勇

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：三维网络吸附剂 天然高分子 吸附 油页岩半焦 凹凸棒石 活性挤出 

摘      要：近年来,具有三维网络结构的高分子吸附剂因其操作方便、性能设计可控以及对重金属、染料、抗生素等污染物较高的吸附能力而受到广泛关注,但制备成本高和吸附剂循环使用性差始终是制约其大规模应用的最主要因素。本论文基于固废资源-油页岩半焦的有机-无机特点及矿物学属性,将其作为无机组分引入三维网络吸附剂,以期降低吸附剂成本的同时提升吸附性能。并通过天然高分子壳聚糖、黄原胶、瓜尔胶的接枝聚合反应,制备得到三种新型三维网络吸附材料。通过对阳离子染料吸附性能系统评价,研究了油页岩半焦以及不同天然高分子对聚合网络调整作用。并探究了通过碳化实现吸附剂再生的可能性。为进一步简化三维网络吸附剂制备流程,采用“活性挤出工艺,以壳聚糖为接枝骨架,棒状纳米黏土矿物凹凸棒石为无机组分,制备得到一种新型三维网络吸附材料。“活性挤出工艺将传统溶液聚合步骤缩短为“物料共混挤出-聚合干燥-成型粉碎三步,极大缩短了吸附剂的制备流程。并通过黏土矿物用量等因素考察了吸附性能,探究了“活性挤出工艺中吸附剂聚合机理,所得研究结果如下:(1)以壳聚糖(CTS)为接枝骨架,丙烯酸(AA)为接枝单体,固废资源油页岩半焦(SC)作为活性无机组分,通过溶液聚合法制备了新型三维网络吸附剂壳聚糖接枝聚丙烯酸/油页岩半焦(CTS-g-PAA/SC)。结果表明,复合吸附剂中对亚甲基蓝(MB)、和甲基紫(MV)的吸附性能随半焦添加量的增加呈先增加后降低的趋势。油页岩半焦含量为5%时,吸附剂对MB和MV的吸附容量可达到2016.78mg/g和1761.90mg/g。表征结果表明,油页岩半焦中存在的活性基团参与了三维网络结构的形成。但过多的油页岩半焦以物理填充形式存在于聚合网络中,导致吸附性能下降。碳化再生实验表明,吸附阳离子染料吸附剂经300℃半绝氧状态碳化2h再生性能最佳。吸附剂经两次碳化循环后表面功能基团完全钝化,可以安全回到土壤中去。(2)为进一步明确天然高分子对于吸附性能的影响,分别以天然高分子黄原胶(XG)和瓜尔胶(GG)为接枝骨架,丙烯酸(AA)为接枝单体,油页岩半焦(SC)为活性无机组分,通过溶液聚合法制备得到两种新型三维网络吸附剂黄原胶接枝聚丙烯酸/油页岩半焦(XG-g-PAA/SC)和瓜尔胶接枝聚丙烯酸/油页岩半焦(GG-g-PAA/SC),吸附实验表明,复合吸附剂中引入5%半焦能显著提高吸附性能,复合吸附剂XG-g-PAA/SC 5%对MB、MV的最大吸附量为1410.75 mg/g和917.40mg/g,GG-g-PAA/SC5%对MB、MV的的最大吸附量为1231.53 mg/g和953.27mg/g。复合吸附剂对阳离子染料的吸附过程在60分钟内完成,在p H值4-10的范围内吸附性能最佳。不同天然高分子因结构不同,所形成的复合吸附剂聚合网络不同,因此对阳离子染料表现出不同的吸附性能。(3)以壳聚糖为接枝骨架,凹凸棒石为无机组分,通过活性挤出的方法制备了一种新型三维网络吸附剂聚(丙烯酸-丙烯酰胺)/凹凸棒石(CTS-g-P(AA-co-AM)/APT)。吸附实验表明,由“活性挤出制备的复合吸附剂对水溶液中的阳离子染料和重金属离子都具有良好的去除性能。在90分钟内,对MB和MV的吸附容量分别达到516.54和354.88 mg/g,对Pb和Cd的吸附容量分别为268.57和132.96 mg/g,而且p H值应用范围较宽。“活性挤出与传统溶液聚合方法制备的吸附剂聚合机理不同,因此吸附性能有较大差别。