壳聚糖/β-环糊精复合材料的制备及对无机物吸附性能的对比研究

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随着城市化和工业化的迅速发展,一些制造业、化工业等行业在生产过程中会排放大量不达标的废水,废水中含有大量的无机物,其中含过量的氯离子(Cl-)废水会对植被、农作物、人体、机械设备、环境等造成一定的伤害,同样锌离子(Zn2+)等的重金属离子,过量时会造成植物死亡,对人体健康带来严重威胁。近几年来吸附法因其操作简单、成本较低、可重复利用、环保等优点,常被应用在处理各种类型的废水中。本文通过缩聚反应首先利用柠檬酸(CA)对β-环糊精(β-CD)进行改性合成β-CD聚合物(β-CDP),然后以壳聚糖(CTS)和β-CDP为原料,通过交联法以戊二醛为交联剂制备出壳聚糖/β-环糊精(CTS/β-CDP)复合物,用于对废水中无机物的吸附,并利用傅立叶变换红外(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、X-射线衍射(X-RD)对吸附Cl-和Zn2+前后的CTS/β-CDP复合物分别进行表征。FT-IR和X-RD结果表明合成了CTS/β-CDP复合物,吸附Cl-和Zn2+后吸收峰发生了变化,但衍射峰并无太大变化,说明吸附过程不改变样品晶形结构。SEM结果表明复合物表面粗糙,吸附位点增多,且吸附到Cl-和Zn2+。进一步考察复合物制备过程中CTS与β-CDP质量比、反应温度、反应时间、25%戊二醛的添加量等制备条件对废水中无机物Cl-和Zn2+吸附率的影响。结果表明,当CTS与β-CDP质量比为1:5、反应温度为80℃、反应时间为90 min、戊二醛添加量为1.5 mL时,对Cl-吸附率达到最佳为40.78%;当CTS与β-CDP质量比为3:10、反应温度为80℃、反应时间为90 min、戊二醛添加量为2 mL时,对Zn2+吸附率达到最佳为78.92%。对CTS、β-CD、β-CDP和CTS/β-CDP复合物进行吸附对比研究,结果表明CTS/β-CDP复合物对Cl-和Zn2+吸附效率高于其他三种材料,而CTS/β-CDP复合物对Zn2+的吸附效率高于Cl-。利用戊二醛将CTS与β-CDP进行交联,通过流延法制备CTS/β-CDP复合膜,用于对废水中无机物的吸附,并利用FT-IR、SEM、X-RD对吸附Cl-和Zn2+前后的CTS/β-CDP复合膜分别进行表征,FT-IR和X-RD结果表明合成了CTS/β-CDP复合膜,吸附Cl-和Zn2+后吸收峰发生了变化,但衍射峰并无太大变化,说明吸附过程不改变样品晶形结构。SEM结果表明复合膜表面出现孔隙,吸附位点增多,且吸附到Cl-和Zn2+。考察复合膜制备中CTS与β-CDP反应温度、乙酸浓度、溶解β-CDP时加水量、氢氧化钠(NaOH)浸泡时间等制备条件对废水中Cl-和Zn2+吸附率的影响。结果表明,当反应温度为50℃、乙酸浓度为2.5%、加水量为25 mL,NaOH浸泡时间为3 h时,对Cl-吸附率达到最佳为41.26%;当反应温度为50℃、乙酸浓度为2%、加水量为30 mL、NaOH浸泡时间为1 h时,对Zn2+吸附率达到最佳为94.14%。对CTS膜、CTS/β-CDP复合物和CTS/β-CDP复合膜进行吸附对比研究,结果表明CTS/β-CDP复合膜对Cl-和Zn2+吸附效率高于其他两种材料,而CTS/β-CDP复合膜对Zn2+的吸附效率高于Cl-。对CTS/β-CDP复合膜进行溶胀度和透射率的测定,结果表明复合膜的溶胀度和透射率低于CTS膜本身,这在废水处理中更加利于回收。实验证明,CTS/β-CDP复合材料对Zn2+等的无机阳离子吸附效率要高于Cl-等的无机阴离子,且CTS/β-CDP复合膜在吸附时能充分与无机物相接触,并易于回收,可以得知复合膜吸附效果及实际应用要强于CTS/β-CDP复合物。
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