磁性壳聚糖接枝聚丙烯酰胺净化水中腐殖酸和微藻的研究

【摘要】：随着现代社会的快速发展,水源水污染问题日益严峻。以腐殖酸(humic acid,HA)为代表的有机物和铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa,MA)为代表的微藻及其分泌物(AOM)是饮用水水质安全保障的潜在威胁,对饮用水净化工艺提出了严峻考验。目前使用的多数水处理药剂在饮用水处理环节存在二次污染的风险,比如,在消毒环节,消毒剂的使用可使水体中HA和MA分泌的胞内有机物(IOM)和胞外有机物(EOM)转化为具有“三致”效应的消毒副产物(disinfection by-products,DBPs)。现有处理技术存在各种局限,因此,研发高效、低成本、低毒或无毒的新型材料成为水处理领域的热点。本研究以HA和MA为目标污染物,采用一步原位共沉淀法制备磁性壳聚糖接枝聚丙烯酰胺(MC-g-PAM),分别探究其对HA和MA的净化效能,并采用FTIR、XRD、SEM、XPS、BET等技术手段,表征其理化特性,探究其吸附机理。以HA的吸附容量和MA的去除率为优选指标,利用正交试验确定MC-g-PAM的最佳制备方案为:Fe~(3+)与壳聚糖质量比为3:1、壳聚糖与丙烯酰胺质量比为2:1、环氧氯丙烷用量为3 mL、晶化时间为2 h。按最佳制备方案合成的MC-g-PAM由横截面直径为50~70 nm的针状聚丙烯酰胺和粒径为120~300 nm的磁性壳聚糖微粒共同包覆,表面孔隙较多,且为中孔和大孔,微孔较少。主要由Fe、O、C和N元素组成,所占质量百分比分别为30.7%、41.5%,25.9%和2.9%。MC-g-PAM比表面积为27.1 m~2·g~(-1),比饱和磁化强度为9.63 emu·g~(-1)。MC-g-PAM对水样中的HA具有良好的净化效果,净化机制为化学吸附。MC-g-PAM投加量为0.3 g·L~(-1),溶液pH值为7.0时处理效果最佳。随着MA浓度从0.356 mg·L~(-1)增加到2.869 mg·L~(-1),HA的去除率由80.70%下降到17.54%。在没有MA的情况下,MC-g-PAM对浓度为5 mg·L~(-1)的HA的去除率为91.72%,吸附过程符合Langmuir等温线,为单分子层吸附,理论饱和吸附容量可达120.77mg·g~(-1)。吸附过程符合准二级吸附动力学速率方程,在吸附反应的前15 min内,HA的吸附量就达到平衡吸附量的一半以上,且为自发进行的、无序的吸热过程。通过连续进行5次吸附-解吸-再生循环后,MC-g-PAM的吸附率仍保持在70%以上。水中的MA也可由MC-g-PAM吸附去除。MC-g-PAM投加量为0.3 g·L~(-1),溶液pH值为3~7时处理效果最佳。HA的存在会对MC-g-PAM去除MA有一定的抑制作用,且HA浓度越高,抑制作用越强。随着HA浓度从5 mg·L~(-1)增加到30 mg·L~(-1),MA的去除率从71.05%下降到52.66%,而在没有HA的情况下,其去除率可达84.74%。通过对MA中叶绿素a进行吸附平衡研究,以反映出水样中MC-g-PAM对MA的吸附平衡情况。该吸附过程同样符合Langmuir等温线,Langmuir方程得出MC-g-PAM对MA中叶绿素a的最大吸附量分别为301.99(15℃)、318.63(25℃)和341.85(35℃)μg·g~(-1)。吸附过程符合准二级吸附动力学速率方程,为自发的、无序度的吸热过程。