壳聚糖/蛭石复合物的制备及其对重金属的吸附性能研究

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随着工业化程度的不断推进,重金属废水的大量排放,重金属污染成为困扰人类的重要环境问题,对生态环境和人类健康造成了严重的危害,与此同时重金属污染逐渐呈现出复合污染的趋势。如何降低和去除环境中重金属污染是环境治理领域的热点和难题。近年来,高分子聚合物/层状硅酸盐复合物因其具有独特的结构和功能性质而备受关注。粘土矿物具有储量大、价格低廉等优势,粘土(如蛭石)在环境污染修复中的研究也备受关注。蛭石作为一种有效的吸附剂,具有比表面积大、阳离子交换量高等特点,被广泛应用于废水处理中。壳聚糖作为在天然高分子材料中大量存在的一种碱性多糖,具有生物官能性、可生物降解性、生物相容性等许多特性而被广泛地应用于多个领域。壳聚糖分子上大量存在的氨基和羟基对重金属离子、有机物及染料分子等具有良好的吸附性能。以壳聚糖和蛭石为原料制备的壳聚糖/蛭石复合物(CTS-VMT)是一种绿色环保型吸附剂,不仅可以提高对重金属离子的吸附性能,而且可以降低成本、减少二次污染,因此,壳聚糖/蛭石复合物具有广阔的应用前景。此外,Fe(III)修饰壳聚糖/蛭石复合物(CTS-Fe-VMT)除了对重离子阳离子良好的吸附能外,其还对Cr(VI)具有良好的亲和性能,因此其可用于同时去除废水中的重金属阴离子和重金属阳离子,这对于水体重金属复合污染的治理具有积极的指导作用。本文取得了以下的研究成果:1、以壳聚糖和蛭石为原料,以环氧氯丙烷为交联剂制备了新型的吸附剂CTS-VMT,运用XRD、FTIR、SEM、BET、TG-DTG和Zeta电位等表征手段对该材料进行表征,并研究其对Cd(II)和Pb(II)的吸附性能。研究结果表明:(1)CTS分子没有插层进入到蛭石层间间,而主要是通过氢键的作用交联在蛭石表面上;(2)CTS-VMT复合物的表面变得更粗糙和疏松,比表面积增大,改性后蛭石结构发生了一些变化,热稳定性发生变化。带负电荷的VMT与季胺化的壳聚糖通过静电吸附作用结合形成一种新型的CTS-VMT复合物,该复合物在pH为2.0-10.0的范围内带负电荷;(3)CTS-VMT对Cd(II)和Pb(II)的吸附性能较VMT有一定的提高,最大吸附量分别达到58.48 mg·g-1和166.67 mg·g-1,吸附过程符合伪二级动力学方程和Langmuir等温吸附模型;(4)CTS-VMT对Cd(II)和Pb(II)的吸附效果随溶液pH的增加而增大,反应温度对吸附过程的影响并不明显,吸附过程为吸热的自发反应,且CTS-VMT具有良好的再生性能和稳定性;(5)CTS-VMT对Cd(II)和Pb(II)吸附机理包括螯合作用和静电吸附作用,其中螯合作用是主要的吸附机理。2、以壳聚糖和蛭石为原料,硫酸铁为修饰材料,环氧氯丙烷为交联剂制备新型吸附剂(CTS-Fe-VMT)运用现代谱学分析方法探究该材料的形貌结构特征及物化性质,并主要研究该材料在Cr(VI)和Cd(II)同时存在的复合污染体系中对Cr(VI)和Cd(II)的吸附性能。结果表明:(1)Fe(III)和壳聚糖通过静电吸附作用和氢键作用负载在蛭石表面而没有插层进入层间;(2)CTS-Fe-VMT为介孔材料,其表面粗糙且出现了大量的孔状结构,比表面积增大,平均孔径减小;(3)CTS-Fe-VMT在pH<5.45时的Zeta电位值为正值,此时表面带正电荷,且在pH=5.45左右出现等电点;(4)VMT基本不能吸附Cr(VI),而CTS-Fe-VMT对Cr(VI)的吸附性能大大提升,且CTS-Fe-VMT对Cd(II)的吸附性能与VMT相比也有一定的提升,溶液中共存的阳离子可以促进Cr(VI)的吸附,且共存的阴离子同样也能有效地促进Cd(II)的吸附;(5)CTS-Fe-VMT对Cr(VI)和Cd(II)的吸附非常迅速,分别在5 min和150 min内达到平衡,吸附过程符合伪二级动力学模型和Freundlich模型,最大吸附量可达到102.74 mg·g-1(Cr(VI))和59.524 mg·g-1(Cd(II));(6)在Cr(VI)和Cd(II)同时存在时可以促进两者在CTS-Fe-VMT上的吸附,其主要是因为:在复合污染体系中,由于优先负载在吸附剂上的阳离子(Cd2+和Cr(OH)2+)形成的阳离子桥的静电吸附作用促进了CTS-Fe-VMT对Cr(VI)的去除;与此同时,Cr(VI)通过静电屏蔽作用和质子消耗作用促进了Cd(II)的吸附;(7)CTS-Fe-VMT具有良好的再生性能和重复利用性能,其在重金属阴阳离子同时存在的环境污染治理中具有一定的应用价值。
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