海藻酸纳米复合材料的制备及其对重金属离子吸附性能研究
随着工业经济的快速发展，重金属污染已成为当今世界最为严重的环境污染问题之一，如何快速高效地处理重金属污水也引起了众多科研工作者的广泛关注。目前，重金属离子污水的处理方法主要有化学法、物理化学法、生物化学法等。与传统的重金属污水处理技术相比，吸附法因其具有操作简单、吸附剂可循环使用、成本低等优点被认为是一种很有前景的重金属离子污水处理技术。 海藻酸是从天然褐藻中提取出的一种天然吸附剂，由于其结构中含有大量的-COOH和-OH，因此被广泛应用于重金属离子污水的处理。然而，用于重金属离子处理的海藻酸是一种致密的、非多孔的刚性材料，该材料的扩散系数低，导致其吸附动力学相对缓慢。此外，纯的海藻酸机械强度较弱、结构均匀性较差、材料易碎易坍塌。这些结构缺陷导致海藻酸在重金属离子的处理中表现出了一些不理想的性能。 基于以上海藻酸的两种主要缺陷，本文通过合理的结构设计来改善海藻酸在重金属吸附过程中的动力学缓慢问题，即通过构筑纳米结构来提高吸附过程中重金属离子的传输性能。此外，本文以氧化石墨烯为增强剂来构筑海藻酸复合材料，氧化石墨烯自身优异的机械稳定性能在一定程度上解决纯的海藻酸易碎易坍塌等结构不稳定问题，使得该复合材料有着良好的机械和再生性能。本文的研究工作主要包括以下两个方面： （1）以聚苯乙烯微球为模板，氧化石墨烯为增强剂通过冷冻干燥技术制备了尺寸可调的纳米级大孔海藻酸钙/氧化石墨烯复合气凝胶（mp-CA/GO）。将此复合气凝胶用于重金属离子的处理中，系统的研究了浓度、温度、pH值以及接触时间等条件对该复合气凝胶吸附重金属离子性能的影响；通过X射线光电子能谱（XPS）研究了该复合气凝胶对重金属离子的吸附机理；以硝酸为脱附剂对该复合气凝胶的再生能力进行了研究。得益于海藻酸优异的金属螯合能力以及纳米结构通道的设计，该复合气凝胶在40 min内达到吸附平衡，且对Pb2+、Cu2+、Cd2+的最大吸附容量分别为368.2、98.1、183.6 mg/g。增强剂氧化石墨烯的存在，使得该复合气凝胶在经过20次吸附-脱附循环后，吸附损失率可以控制在5%以内。吸附机理分析表明，mp-CA/GO吸附重金属离子主要为离子交换和化学配位的协同作用。 （2）以氧化石墨烯为增强剂，通过静电纺丝技术制备出高机械强度的海藻酸纳米复合纤维。得益于海藻酸复合纤维自身特有的大的比表面积以及优异的网络传输通道，该复合纤维对重金属有着良好的吸附性能。通过分析温度、浓度、pH值以及接触时间等条件对该复合纤维吸附重金属离子性能的影响，可以得出：吸附在30 min内达到吸附平衡，吸附过程符合拟二级动力学模型；该复合纤维对Pb2+和Cu2+的最大吸附容量分别为386.5和102.4 mg/g，该值高于目前已报道的铅离子或铜离子吸附剂的吸附容量；XPS 等测试结果表明该复合纤维对重金属离子的吸附为离子交换和化学配位的协同作用。
海藻酸;氧化石墨烯;纳米材料;重金属离子;吸附性能
安庆师范大学
硕士
分析化学
汪竹青
2019
中文
O643.36;TB383
2019-11-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）