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水体污染是导致水资源短缺的原因之一。其中,重金属离子引起的污染问题由于其生物可积累性及不可降解性,对人类健康及生态系统的可持续性构成了极大的危险。到目前为止,人们已经开发了从废水中去除重金属离子的各种技术,使用较多的有化学沉淀、离子交换、膜分离和吸附技术。吸附技术通常被认为是一种易于操作的水处理技术,并可通过使用低成本、性能优异且易于再生的吸附剂材料提高使其经济效益。生物质聚合物(如壳聚糖、纤维素、木质素、淀粉及腐殖质)是一类来源广泛且成本较低的聚合物资源,可从生物质废弃物中提取得到。此外,生物质聚合物的结构稳定且含多种活性官能团,可作为一类理想的吸附材料。双网络水凝胶具有含水率高、溶胀性能可调、机械性能好且易于修饰的优点。双网络水凝胶结合水的主要作用有:(1)支撑媒介,使其保持一定的形状;(2)提供纳米传输通道,供水溶性小分子在其内部自由扩散;(3)提供氢键,为水溶性小分子提供额外的作用位点。由此可以看出,双网络水凝胶可作为较为理想的重金属吸附剂。本论文为开发低成本且高效益的重金属离子吸附材料,选择生物质聚合物作为双网络水凝胶的一层网络,结合合成高分子网络,成功制备了一系列的生物质基双网络水凝胶吸附剂。主要的工作内容如下:(1)选择壳聚糖(CTS)作为生物质聚合物网络,结合聚丙烯酰胺(PAM)网络,通过一步自由基聚合法制备出壳聚糖/聚丙烯酰胺双网络水凝胶(CTS/PAM gel)。采用乙二胺四乙酸(EDTA)作为CTS的改性剂和交联剂,合成EDTA功能化的CTS/PAM gel(EDTA-CTS/PAM gel),提高了CTS/PAM凝胶的吸附性能和机械强度。羧基官能团及零电荷点的测定结果和傅立叶红外光谱表征表明,EDTA成功修饰在CTS/PAM gel上。EDTA-CTS/PAM凝胶具有较高的含水率、强的机械性能、较好的溶液和热稳定性能。吸附动力学和等温实验的结果,表明吸附动力学约在170分钟左右达到平衡,且在温度为298 K时,EDTA-CTS/PAM gel对Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的理论最大吸附容量分别为138.41、99.44和86.00 mg/g。此外,EDTA-CTS/PAM gel具有较好的重复使用性能,并在实际废水处理中表现出对多种重金属离子的较好去除效果。(2)选择纤维素(Cellulose)作为生物质聚合物网络,废弃棉织物(WCFs)作为纤维素来源,结合聚丙烯酰胺(PAM)网络,通过一步自由基聚合法制备出纤维素/聚丙烯酰胺双网络水凝胶(Cellulose/PAM gel)。为研究纤维素网络交联剂量对其结构和性能的影响,通过改变交联剂量制备一系列的Cellulose/PAM gel。扫描电镜的结果表明,Cellulose/PAM gel具有三维多孔结构,其纤维素网络的片状堆叠程度以及孔结构与交联剂量有关。静态吸附实验结果表明,Cellulose/PAM gel的吸附性能随交联剂量的增加而降低,其中Cellulose/PAM gel-1对Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的理论最大吸附容量分别为382.80、138.90和198.48 mg/g,其吸附动力学可在5分钟左右达到平衡。模拟工业废水的动态实验结果表明,装有Cellulose/PAM gel-3的单个固定床,可将模拟工业废水的体积从6900 mL浓缩至46 mL,而两个固定床串联可将废水的体积可从13800 mL浓缩至92 mL。此外,两个固定床串联能够有效地处理实际工业废水,且在经过三次吸附-解吸循环后,吸附量的变化可以忽略不计。(3)选择腐殖质(HS)作为生物质聚合物网络,结合聚丙烯酸(PAA)网络,通过一步自由基聚合的方法制备出聚丙烯酸/腐殖质双网络水凝胶(PAA/HS gel)。PAA/HS gel在水溶液中具有良好的稳定性,仅在pH大于9时有溶出现象。此外,PAA/HS gel的形貌和结构表征结果表明,其具有三维大孔网状结构、含水率高、溶胀性能大、热稳定性高且机械性能好的优点,有利于重金属离子的吸附。单组分和多组分体系中重金属离子吸附性能的结果表明,PAA/HS gel对单组分体系中Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的理论最大吸附容量分别为360.50、151.00和412.76 mg/g,而多组分体系中各离子的理论吸附容量较单组分体系低。值得注意的是,多组分体系吸附动力学中,重金属离子之间不仅存在相互干扰还存在相互促进作用。实验数据的分析及材料表征结果表明,PAA/HS gel具有非均质表面和多种结合位点,且腐殖质中的官能团与重金属离子之间的作用存在差异。(4)选择稻壳(RH)作为木质素的来源,并引入壳聚糖(CTS)对木质素进行修饰形成复合物(RH-CTS)作为生物质聚合物网络,结合聚丙烯酰胺(PAM)网络,通过一步自由基聚合的方法制备出稻壳-壳聚糖/聚丙烯酰胺双网络水凝胶(RH-CTS/PAM gel)。傅立叶红外表征表明,成功从稻壳中提取出木质素,并经壳聚糖进行修饰形成复合物。RH-CTS/PAM gel的形貌和结构表征结果表明,其具三维大孔网状结构、含水率高、溶胀性能大、机械性能好、溶液和热稳定性高的优点。单组分和多组分体系中重金属离子吸附性能的结果表明,RH-CTS/PAM gel对单组分体系中Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的理论最大吸附容量分别为374.32、196.68和268.98mg/g,而多组分体系中吸附容量较单组分体系低。RH-CTS/PAM gel在单组分体系中表现出超快的吸附速率,Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)浓度为200 mg/L时的动力学平衡约在10分钟内达到。