高压静电技术制备微纳米结构材料及对水中重金属吸附的研究

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重金属污染是世界上环境污染最严重问题之一。由于重金属污染物无法被生物降解,因此,一旦排入环境将会成为永久的污染,特别是这些重金属离子通过饮用水,食物链,进入包括人体在内的生物体内,对人类及其他生物的生存造成严重危害。因此,去除水中的重金属离子对于保护人类健康及生存环境是十分重要的。微/纳米材料是近年发展起来的一种新型功能材料,在重金属离子吸附方面展现了优异的性能。许多方法被用来开发、制备不同形貌和结构的微/纳米材料,其中电喷与电纺目前被认为是最简单和通用的制备微/纳米材料的方法。利用这两种方法制备的微/纳米材料由于其特殊的结构性质表现出了许多优于传统材料的性能,例如,较高的表面积、多孔表面结构、较高化学强度、良好的机械性能、便于回收再利用等。本论文主要是通过电喷和电纺丝方法制备一系列的不同形貌和结构组成的微/纳米材料,并进一步研究这些材料对水中的重金属离子吸附性能。主要包括以下四个方面的工作:1.通过电纺丝方法和高温煅烧技术制备了介孔锐钛矿二氧化钛纳米纤维,考察了介孔锐钛矿纳米纤维对Cu(II)离子的吸附性能,研究了pH值的影响、吸附动力学和吸附等温线等。结果表明,介孔锐钛矿纳米纤维在pH值6时对Cu(II)离子的吸附含量最高,介孔锐钛矿纳米纤维对Cu(II)离子的吸附动力学符合准二级动力学模型,纳米纤维等对铜(II)离子的吸附符合Freundlich等温线。与普通锐钛矿纳米纤维相比,在同样的实验条件下,介孔锐钛矿纳米纤维具有更高的比表面积,对Cu(II)离子表现出了更强的吸附能力。2.通过电纺丝方法结合高温煅烧或酸性溶解方法制备了不同形貌和晶型结构的二氧化钛纳米纤维,如无定形,锐钛矿,锐钛矿/金红石混合以及金红石型二氧化钛纳米纤维,研究了不同形貌和晶型结构的二氧化钛纤维对As(III)离子的吸附性能。结果表明,二氧化钛纳米纤维的晶型结构对As(III)离子的吸附速率和能力有较大影响,由于无定形结构的二氧化钛纳米纤维具有更高的表面积和孔体积,因此对As(III)离子表现出了更好的吸附能力。3.利用电纺丝方法和表面改性技术相结合制备了氨化聚丙烯腈(PAEA)纳米纤维膜,研究了此种纤维对水中的As(V)离子的吸附性能。实验数据符合Langmuir等温线和准二级动力学模型,PAEA纳米纤维在pH值3时对As(V)离子的吸附含量最高,PAEA纳米纤维对As(Ⅴ)离子的最大吸附容量为76.92±1.03mg.g-1,远高于相同条件下制备的的PAEA微米纤维(27.62±0.50mg.g1),PAEA纳米纤维对As(V)离子具有较高的吸附容量和较快的吸附速度,可以作为去除水溶液中砷的有效吸附剂。4.利用电喷方法制备了新型的多孔壳聚糖(CS)/四氧化三铁(Fe3O4)/氢氧化铁(Fe(OH)3)复合微球,对复合微球吸附As(III)离子的吸附动力学和平衡等温线进行研究。实验数据符合Langmuir,Freundlich等温线和准二级动力学模型,CS/Fe3O4/Fe(OH)3复合微球对As(III)离子具有较快的吸附速度,约45分钟后即达到吸附平衡,最高吸附容量为8.47±0.18mg.g((-1),比用传统方法制备的CS/Fe3O4/Fe(OH)3微球高(4.72±0.04mg.g-1),CS/Fe3O4/Fe(OH)3复合微球有超顺磁性特性,因此便于回收,有利于去除水溶液中的As(III)离子。
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