發(fā)布時(shí)間：2019-09-22 06:32

【摘要】：工業(yè)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展讓公眾的生活水平穩(wěn)步增長,但隨之而產(chǎn)生的水體重金屬污染已成為一個(gè)世界范圍內(nèi)的環(huán)境問題。由于人類生產(chǎn)活動(dòng)的增加和管理不當(dāng),水體重金屬污染已對(duì)公眾健康、生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的健康持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重的威脅。吸附法處理水體重金屬污染的技術(shù)因其有效性和良好的發(fā)展前景而受到世界各國的關(guān)注,而研發(fā)具有優(yōu)良吸附性能和特異選擇性的吸附材料則成為該領(lǐng)域最熱門的研究方向之一。水體重金屬污染通常呈現(xiàn)多樣性,且重金屬多具有生物累積性和不可生物降解性,進(jìn)入人體內(nèi)能與多種器官親和,產(chǎn)生三致效應(yīng)�；诖�,設(shè)計(jì)并構(gòu)建一系列化學(xué)性能穩(wěn)定、易于分離、吸附能力強(qiáng)、吸附速率快、去除效率高、制備簡單、價(jià)格低廉且具有明顯選擇識(shí)別重金屬Pb(Ⅱ)能力的環(huán)境友好型吸附材料是本學(xué)位論文的研究重點(diǎn)。鑒于殼聚糖在理化性能和吸附應(yīng)用方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),本文以殼聚糖為前驅(qū)體,成功制備了一系列結(jié)構(gòu)和吸附性能優(yōu)良的新型海綿狀改性復(fù)合吸附材料,通過掃描電鏡和光學(xué)顯微鏡的微觀觀察,能譜儀的元素分析,傅里葉紅外光譜儀的結(jié)構(gòu)測(cè)試等手段,表征了新型海綿吸附材料的物理化學(xué)性質(zhì)。設(shè)計(jì)一系列序批式靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn),考察新型海綿狀吸附材料在不同環(huán)境條件和操作條件下吸附重金屬離子的能力,確定其最佳吸附條件;通過動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和等溫吸附模型來研究整個(gè)吸附過程的限速步驟、吸附機(jī)制和反應(yīng)的難易程度,評(píng)價(jià)吸附材料的最大飽和吸附能力;運(yùn)用X射線光電子能譜和傅里葉紅外光譜來探討重金屬吸附機(jī)理;考察不同解吸附劑在不同濃度下的解吸附效果,評(píng)價(jià)吸附材料的再生性。設(shè)計(jì)固定床吸附裝置,搭建動(dòng)態(tài)吸附模型,研究流速、床層高度和進(jìn)樣濃度對(duì)重金屬離子去除效果的影響,通過建立數(shù)學(xué)模型、分析穿透曲線、估算反應(yīng)器對(duì)模擬實(shí)際廢水的處理能力來評(píng)價(jià)新型海綿狀吸附材料的實(shí)際應(yīng)用潛力,為實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。本學(xué)位論文的研究工作和成果具體歸納如下:1.以環(huán)境友好、成本低廉的殼聚糖為前驅(qū)物,通過冷凍干燥技術(shù)成功制備了海綿狀的黃原酸化硫脲殼聚糖xtcs,該材料具有體積大、質(zhì)量輕、孔隙均勻豐富、形狀大小可任意調(diào)節(jié)及化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。此外,對(duì)Pb(Ⅱ)的高吸附效率,廣泛的ph適應(yīng)范圍,快速的固液分離特性,使得該材料表現(xiàn)出潛在的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過建立吸附動(dòng)力學(xué)和等溫吸附模型,結(jié)果表明該吸附材料對(duì)Pb(Ⅱ)的吸附行為符合準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和langmuir等溫吸附模型,即xtcs對(duì)Pb(Ⅱ)的吸附是發(fā)生在均相的單層界面上的化學(xué)吸附。對(duì)所制備材料的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)性能測(cè)試分析發(fā)現(xiàn),xtcs吸附Pb(Ⅱ)的吸附機(jī)理主要涉及到絡(luò)合反應(yīng)和離子交換作用。該吸附材料的最佳吸附條件:ph為5.0,室溫條件,平衡吸附時(shí)間45min時(shí),飽和吸附量達(dá)189.044mgg~(-1),對(duì)濃度為200.00mgl-1及以下的含Pb(Ⅱ)溶液,Pb(Ⅱ)的去除率可達(dá)90%以上。2.通過簡單的一步法成功制備了海綿狀的改性殼聚糖xcts,其制備方法簡單,工藝原材料需求量少,反應(yīng)條件溫和易于操作。研究表明,低溫處理有助于得到外形美觀、孔隙均勻而致密、機(jī)械性能優(yōu)良的xcts。xcts在一元體系中對(duì)Pb(Ⅱ)、cd(Ⅱ)、ni(Ⅱ)和zn(Ⅱ)的吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,xcts對(duì)這些重金屬離子的吸附屬于單層的化學(xué)吸附,飽和吸附能力分別為216.452、92.854、45.462和41.883mgg~(-1),可見xcts對(duì)Pb(Ⅱ)有明顯的吸附選擇性;多元混合體系中的吸附實(shí)驗(yàn)表明,Cd(Ⅱ)會(huì)抑制而Ni(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)能促進(jìn)Pb(Ⅱ)的吸附,抑制效應(yīng)指數(shù)和平衡吸附能力比值表明,共存重金屬離子能對(duì)Pb(Ⅱ)的吸附能產(chǎn)生協(xié)同促進(jìn)作用,而Pb(Ⅱ)對(duì)共存重金屬離子的吸附則是明顯拮抗作用。langmuir等溫吸附和langmuir競(jìng)爭(zhēng)吸附模型證實(shí),這四種重金屬離子間存在競(jìng)爭(zhēng)吸附,混合體系中Pb(Ⅱ)的飽和吸附量最高可達(dá)248.764mgg~(-1),明顯高于一元體系。ftir和xps分析結(jié)果證實(shí)xcts吸附重金屬離子的機(jī)理主要是離子交換作用和與含s/n官能團(tuán)的絡(luò)合作用。選擇系數(shù)和分配比的計(jì)算結(jié)果表明,xcts對(duì)這四種重金屬離子的選擇性吸附順序?yàn)?Pb(Ⅱ)cd(Ⅱ)ni(Ⅱ)zn(Ⅱ)。3.構(gòu)建新型的微生物與硫脲殼聚糖復(fù)合吸附劑pxtcs-40%和txtcs-15%,三維立體結(jié)構(gòu)賦予其良好的固液分離性能。序批式實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,pseudomonasputidai3和talaromycesamestolkiaepb的加入明顯提高了吸附材料對(duì)Pb(Ⅱ)的吸附能力,最大飽和吸附量分別為232.033and241.611mgg~(-1),兩種菌體與tcts的最佳添加量比率為40%(0.40 g)和15%(0.15 g),吸附能力較未加微生物的情況分別提高39.4%和44.7%。動(dòng)力學(xué)和等溫吸附研究表明,PXTCS-40%和TXTCS-15%對(duì)Pb(Ⅱ)的吸附受化學(xué)吸附和顆粒內(nèi)擴(kuò)散控制,屬于單層吸附。共存離子的干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí),Zn(II)促進(jìn)而Cd(II)抑制兩種生物吸附劑對(duì)Pb(Ⅱ)的吸附,無機(jī)金屬離子的作用與價(jià)態(tài)有關(guān),呈現(xiàn)低價(jià)態(tài)利,高價(jià)態(tài)弊的規(guī)律,作用順序?yàn)?Zn(II)Na(I)≈K(I)Ca(II)Mg(II)≈Al(III)?Cd(II)Fe(III)。解吸附實(shí)驗(yàn)表明,0.5 M的HNO3和2.0 M的HCl溶液有明顯的解吸附效果。FTIR和XPS分析顯示,含N、O、S的官能團(tuán)與Pb(Ⅱ)的表面絡(luò)合反應(yīng)、離子交換作用及微沉淀是PXTCS-40%和TXTCS-15%吸附Pb(Ⅱ)的主要機(jī)制。礦山冶煉廠和電池廠廢水兩種實(shí)際工業(yè)廢水的模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí),PXTCS-40%和TXTCS-15%可用于重金屬污染廢水的處理。4.首先制備鈦酸鹽納米管TNTs,再將其負(fù)載于XCTS中,形成海綿狀XCTS@TNTs復(fù)合材料,以其作為新型吸附材料通過序批式靜態(tài)和固定床動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)來考察XCTS@TNTs對(duì)Pb(Ⅱ)的吸附能力。動(dòng)力學(xué)、等溫吸附和熱力學(xué)研究表明,XCTS@TNTs對(duì)Pb(Ⅱ)的吸附行為符合準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和Langmuir等溫吸附模型,該吸附過程是一個(gè)能夠自發(fā)進(jìn)行的放熱過程。溶液pH對(duì)吸附的影響較大,呈正向關(guān)系,溫度為25、35和45℃時(shí)Pb(Ⅱ)的最大飽和吸附量分別為342.466、335.570和324.675 mg g~(-1),XCTS@TNTs的再生通過1.0 M HCl溶液能夠得以實(shí)現(xiàn)。不同離子強(qiáng)度的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,XCTS@TNTs對(duì)Pb(Ⅱ)的吸附能力隨著Na(I)濃度的增加而增加,Ca(Ⅱ)濃度變化對(duì)Pb(Ⅱ)吸附能力的影響則不顯著。XCTS@TNTs對(duì)Pb(Ⅱ)具有明顯的選擇性,共存重金屬離子能促進(jìn)Pb(Ⅱ)的吸附,而Pb(Ⅱ)則抑制共存重金屬離子的吸附。固定床吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不同流速、床層高度和進(jìn)樣濃度對(duì)Pb(Ⅱ)的去除率均有明顯影響,同時(shí)用固定床吸附裝置模擬處理了礦山冶煉廠和電池廠廢水,結(jié)果表明對(duì)礦山冶煉廠廢水中Pb(Ⅱ)的處理能力為49584.00 mL,對(duì)電池廠廢水中Pb(Ⅱ)的處理能力為6360.00mL,出水中Pb(Ⅱ)的濃度均為1.00 mg L~(-1),符合廢水排放標(biāo)準(zhǔn),說明XCTS@TNTs有良好的實(shí)際應(yīng)用潛力。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：X52
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本文編號(hào)：2539812