磁响应型Ni（Ⅱ）印迹材料的制备及选择性吸附行为与机理研究

作     者：张炜业 

作者单位：昆明学院 

学位级别：硕士

导师姓名：何红星;刁玉华

授予年度：2024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：镍离子 表面印迹技术 磁响应技术 选择性吸附 吸附机理 

摘      要：随着工业的迅猛发展,水体重金属污染日益严峻,我国要求工业废水必须经过处理达标后排放,特别是某些地区对含镍废水的排放标准已降至极低,仅为0.1mg/L,这对传统处理手段构成了巨大挑战。因此,迫切需要开发一种高效且可循环利用的材料,以回收废水中的镍离子。鉴于离子印迹聚合物的特异识别和结构可控性,近年来在痕量污染物处理中表现出广泛应用。本文针对含镍工业废水的达标排放和传统印迹吸附剂难以回收的问题展开了研究。主要研究内容有: （1）首先,以溶剂热法制备的FeO微球作为基质材料,基于软硬酸碱理论并利用表面印迹技术,选择2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）作为功能单体,合成核壳型Ni（Ⅱ）印迹聚合物（FeO@Si O@IIP）。随后,通过去除中间的Si O层,形成铃铛型Ni（Ⅱ）印迹聚合物（FeO@void@IIP）,目标是提升分离效率。吸附实验结果表明,FeO@Si O@IIP和FeO@void@IIP对Ni（Ⅱ）的吸附容量分别为36.05 mg/g和44.64 mg/g,其吸附行为符合准二级动力学模型和Langmuir吸附等温模型。在模拟废水中,它们的去除效率分别达到98.87%和99.97%,均满足排放标准。此外,由于吸附剂的磁分离特性,经过6次循环,Ni（Ⅱ）的去除效率仍保持在95%以上。 （2）为了增大印迹吸附剂的吸附容量,探索选择性分离机制,继续采用AMPS作为功能单体,以磁性氧化石墨烯为载体,制备了氧化石墨烯基磁性Ni（Ⅱ）印迹聚合物（FeO@GO@IIP）。吸附实验结果表明,在最佳p H值6时,FeO@GO@IIP的吸附容量达到35.31 mg/g,达到吸附平衡所需时间仅为16分钟。其吸附行为符合准二级动力学模型和Langmuir等温线模型。在模拟废水中,FeO@GO@IIP对Ni（Ⅱ）的分配系数高达1312.81 m L/g。通过仪器表征和密度泛函理论（DFT）理论计算,阐明了其高选择性机理。 （3）基于前期研究和印迹聚合物的构效关系,利用DFT理论计算筛选出与Ni（Ⅱ）具有高亲和性的功能单体2-乙酰氨基丙烯酸（AAA）,以磁性多壁碳纳米管作为基质,设计并合成了p-MMWCNTs/IIP。吸附实验结果表明,p-MMWCNTs/IIP对Ni（Ⅱ）的吸附容量高达54.28 mg/g,其印迹位点源自AAA中硬碱性N、O原子。对比非印迹吸附剂,印迹吸附剂的Ni（Ⅱ）分配系数提升了2.5倍,吸附识别过程由配位作用和静电作用共同驱动。印迹技术有效调控了AAA中N、O原子的路易斯碱性,通过印迹效应AAA中N、O原子构建的印迹位点显著提高了对Ni（Ⅱ）的选择性识别能力。另外,p-MMWCNTs/IIP在消化后实际工业废水中Ni（Ⅱ）的去除率高达97.66%,已达到0.1 mg/L的排放标准。