刺激响应型微凝胶及其复合亚铁氰化铜钾吸附剂制备与泡沫浮选处理含铜、含铯废水研究

作     者：许佳佳 

作者单位：福建师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈明锋;章华桂

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：聚异丙基丙烯酰胺 1-乙烯基咪唑 微凝胶 泡沫 吸附 废水处理 

摘      要：工业的发展对促进经济具有重大作用,但工业金属废水对生态环境却存在着巨大的潜在威胁,所以必须严格处理金属废水否则会危害到人类生存环境及身体健康。在工业废水的排放中含高浓度重金属,其中经济成本低、应用广泛的金属铜在水溶液中以较低浓度存在时就已具有毒性。而核工业废水的产量随着新能源的发展也逐渐增加,废水中含有高放射性元素,其中主要放射性污染元素Cs具有较长半衰期,在水溶液中以正一价离子形式Cs存在。Cu、Cs水体中都具有高水溶性、生物不可降解性以及可通过生物破坏食物链,从而威胁到人类健康。所以本论文主要以去除Cu、Cs为例,对工业废水的治理进一步研究。通过调研不同治理方法以及吸附剂的优劣势,本论文提出刺激响应型微凝胶基复合材料吸附铜、铯的策略。首先,在温度响应型p NIPAM微凝胶的基础上,我们设计共聚对Cu敏感的1-乙烯基咪唑（1-VIM）单体,通过无表面活性剂沉淀聚合反应制备温敏性的聚N-异丙基丙烯酰胺-乙烯基咪唑(poly（NIPAM-co-VIM）)（PNV）微凝胶。采用核磁共振（NMR）、扫描电子显微镜（SEM）、动态光散射（DLS）等表征方式确定了样品成分与微观形貌,证实制备的微凝胶具有温度响应性。紧接着,通过DLS和静态光散射（SLS）研究Cu对PNV微凝胶的温度响应性和颗粒结构形态影响,发现Cu与VIM链段咪唑基团的络合作用能够软化PNV微凝胶,提升颗粒均质性,进而增强PNV微凝胶的溶胀性,使其体积相转变温度（VPTT）向高温偏移。PNV微凝胶的温度响应性可受溶液中的Cu调控并对其表现出选择性。然后,利用PNV制备Pickering泡沫并研究其泡沫稳定性,发现泡沫具有明显的温度响应性:低于VPTT时超稳定而高于VPTT时快速破坏,且该温度响应性受Cu浓度调控。在特定温度下Cu使泡沫具有超强稳定性而其他竞争离子(如Mg,Zn,Na)则难以稳定泡沫,这说明具有利用PNV微凝胶基泡沫浮选法选择性分离Cu的可能性。微凝胶在气-液界面的界面行为研究表明,PNV微凝胶具有良好的界面活性,因此拥有良好的起泡性能;络合Cu的PNV的优异的界面剪切黏弹性,能够抵抗泡沫聚并,进而保证了泡沫的超强稳定性。为了探究制备的PNV2微凝胶对Cu的选择性回收性能,我们通过电感耦合等离子体发射光谱元素分析（ICP-OES）对比PNV微凝胶在纯Cu溶液以及含有竞争离子(Mg,Zn,Na)的含铜溶液对Cu吸附能力,发现竞争离子干扰下,会导致PNV对Cu吸附容量下降,但其仍具有良好的选择吸附性,在高浓度竞争离子（0.005 M）低浓度Cu（0.001 M）条件下,微凝胶对Cu的吸附选择性K仍能达268.3 m L/g。因此,我们制备的PNV2微凝胶不仅具有对Cu选择性回收性能,还可以作为泡沫浮选的响应性稳定剂。最后,我们以温敏性PNV微凝胶以及具有对Cs高吸附能力的亚铁氰化铜钾纳米颗粒（KCu HCF）为基础,设计温敏性微凝胶/亚铁氰化铜钾（PNV-KCu HCF）复合材料用于含铯废水的处理。利用铜-咪唑络合反应将Cu固定在PNV微凝胶内部,再引入K[Fe（CN）]原位生长KCu HCF纳米颗粒,得到目标产物PNV-KCu HCF复合微凝胶。通过马尔文粒度仪（zeta-sizer）、X射线光电子能谱（XPS）、粉末X射线衍射仪（XRD）等表征方式证实目标产物成功合成,且仍具有温度响应性。利用ICP-OES测得PNV-KCu HCF对铯离子的吸附量达136 mg/g（PNV-KCu HCF,25°C,[Cs]=300 ppm）,且在高浓度Na（1 mol/L）的干扰下,也仍有75.4 mg/g的有效吸附量。为了证明泡沫浮选回收完成Cs吸附的PNV-KCu HCF复合吸附剂的可能性,我们记录了泡沫随时间、温度的变化情况。结果如预期所料,PNV-KCu HCF微凝胶分散液在室温下具有良好的起泡性和稳定性,且随温度的升高,泡沫变得不稳定,逐渐破裂。