纤维素基吸附剂的制备及其吸附去除镉离子的研究

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工业发展排放大量污水使得环境中的水资源污染愈发严重,这其中含镉废水是常见的水资源污染源。常见的去除污水中的镉离子的方法很多,其中吸附法操作过程简单高效节能,逐渐在重金属离子的去除领域得到青睐。而吸附法关键在于吸附剂的选择。纤维素是一种天然的高分子化合物,其碳链上连接着大量可化学修饰的羟基,化学改性后可接枝改性制备吸附剂。经过处理后的木薯渣的主要成分是纤维素,将其进行化学改性制备吸附剂可极大降低吸附剂成本,制备成为一种磁性高分子微球吸附剂并且吸附完成后可实现快速分离。本课题分别对羧甲基纤维素钠(CMC)和预处理过后的木薯渣(PCR)进行改性研究制备吸附剂,主要研究内容如下:(1)以羧甲基纤维素钠(CMC)和处理过膨润土(Bent)为原料,以丙烯酸(AA)为单体,采用水溶液聚合法制备纤维素-膨润土复合吸附剂(CMCCV-Bent)。SEM可以看出水溶液聚合法制备的CMCCV-Bent表面粗糙不平,片层间夹杂着纤维素带状结构,放大后表面呈网状结构;XRD结果显示改性前后峰值向低衍射角移动,表明膨润土层间距产生剥离;FITR表明,在CMCCV-Bent吸附剂中出现了CMC的特征峰和Bent的硅氧四面体和铝氧八面体的内部振动吸收峰,表明CMC和Bent之间产生了交联。CMC的加入量是影响CMCCV-Bent对Cd(II)吸附的重要因素,CMC添加量为2.0 wt%时制备的CMCCV-Bent吸附剂,对水溶液中Cd(II)的吸附效果最好,与无CMC的吸附剂相比,对Cd(II)吸附量由17.96mg?g-1增加至33.58 mg?g-1。(2)在上述研究基础上,以CMC和Bent为原料,以AA为单体,采用微波辅助合成制备纤维素-膨润土复合吸附剂(CMCMW-Bent)。SEM可以看出CMCMW-Bent表面较为光滑,片层间也含有未反应完全状纤维素带状结构,高倍镜下观察表面呈现为竹笋状整齐结构;XRD结果表示CMCMW-Bent片层间距之间产生变化,CMC进入到了Bent的片层中;TGA结果显示CMCMW-Bent相比于CMC和Bent表现出了更好的热稳定性。p H是影响吸附剂吸附效果的主要因素之一,当p H为6-7时,吸附效果最佳,CMCMW-Bent相比上述水溶液聚合法制备的CMCCV-Bent对Cd(II)的吸附量从32.65mg?g-1提高到44.76 mg?g-1。等温吸附和动力学模型证明,CMCMW-Bent对Cd(II)的吸附均符合Langmuir吸附拟合方程和拟二级动力学方程式;对CMCMW-Bent进行热力学研究,证明吸附过程属于自发的吸热过程,综上所述表明CMCMW-Bent对Cd(II)的吸附过程是自发吸热的单分子层覆盖化学吸附过程。(3)以预处理过后的木薯渣(PCR)为原料,加入聚乙烯亚胺(PEI)对其改性,以丙烯酰胺为单体,加入聚乙二醇(PEG2000)作为致孔剂,通过反相乳液聚合法制备PEI复合多孔木薯渣磁性微球吸附剂(PEI/HMPCR)。N2吸附脱附分析结果表明,致孔剂加入后比表面积由8.08 m2?g-1增大到17.06 m2?g-1,与未添加致孔剂的木薯渣相比,对Cd(II)的吸附量从29.62 mg?g-1增加到36.41mg?g-1,加入PEI后比表面积为14.86 m2?g-1,孔径大小为14.24 nm,属于中孔吸附剂;XPS结果显示,吸附主要发生在表面的-NH和-NH2基团上;SEM扫描电镜结果表示,微球大小分散性较好,粒径较为均一;VSM结果表示饱和磁化强度为9.5 emu?g-1具有超顺磁性,可通过外加磁场将吸附Cd(II)后的PEI/HMPCR进行快速磁选分离。实验考察了溶液p H、PEI用量、致孔剂用量等条件对吸附Cd(II)过程的影响。在p H=6,PEG2000用量为20.0 wt%,PEI用量为5.0 wt%时,最大吸附量为143.6 mg?g-1。等温吸附模型证明PEI/HMPCR吸附曲线符合Langmuir等温吸附模型和拟二级动力学模型,表明对于水中的Cd(II)吸附过程主要是受化学吸附和扩散过程共同控制的过程;PEI/HMPCR在吸附-解吸经过5次循环后,仍具有初始的77.6%的效果,表明PEI/HMPCR吸附剂具有良好的循环再生性。
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