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《华南理工大学》 2011年
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球形纤维素吸附剂的制备及其性能研究

张佳珺  
【摘要】:纤维素是一种最丰富的天然有机高分子资源,具有可再生、可生物降解等诸多良好性能,有效利用纤维素资源,对于解决当今所面临的资源及环境问题具有重要意义。本论文以绿色溶剂离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐(BMIMCl)为反应介质,在均相条件下以丙烯酸为单体,对纤维素进行接枝改性,制备出含羧酸基团的球形纤维素吸附剂,并对其性能进行了研究。同时研究并设计了制备过程中所用离子液体的回收路线,进行了离子液体的回收与再利用,为吸附剂工业化提供了参考。 首先采用正交实验和单因素实验优选了球形纤维素吸附剂的制备条件:以丙烯酸为单体,其用量与纤维素质量比为4g/g;以过硫酸铵为引发剂,其用量与纤维素质量比为0.1g/g;反应温度为60℃;反应时间为2 h,接枝率可达96.7%。采用反相悬浮技术将接枝共聚物球化,制备出球形纤维素吸附剂。所制备的球型纤维素吸附剂粒径在75-150μm之间,吸附剂含水量为88.7%。红外光谱以及环境扫描电镜的观察分析结果进一步证实了接枝共聚物的生成且所制得的纤维素吸附剂具有很好的球形,且粒径分布较为均一。 继而,研究了球形纤维素吸附剂对Cu~(2+)、Ni~(2+)和Fe~(3+)三种重金属离子的吸附性能:采用静态吸附的方法探究三种金属离子水溶液初始质量浓度、金属离子水溶液pH值、吸附时间和吸附温度等因素对吸附效果的影响并分析各温度下Cu~(2+)的等温吸附实验结果。同时对Cu~(2+)吸附的热力学和动力学进行了研究,以探讨吸附机理。结果表明,球形纤维素吸附剂对重金属离子具有很好的吸附效果:在优化条件下吸附剂对水溶液中Cu2+、Ni~(2+)、Fe~(3+)的静态吸附量分别达到174.8 mg/g、61.2 mg/g和63.6 mg/g,且纤维素吸附剂具有良好的再生性能,回收率高,并可重复使用。吸附剂对Cu~(2+)的静态等温吸附符合Langmuir和Freundlich吸附等温式。对Cu~(2+)吸附的热力学和吸附动力学研究结果表明球形纤维素吸附剂对金属离子的吸附以化学吸附为主;吸附过程的速度由表面扩散和颗粒内扩散联合控制,但以颗粒内扩散为主。 进而,研究了球形纤维素吸附剂对亚甲基蓝及中性红两种阳离子染料的吸附性能:采用静态吸附的方法探究阳离子染料水溶液初始质量浓度、染料水溶液pH值、吸附时间和吸附温度等因素对吸附效果的影响并分析各温度下亚甲基蓝的等温吸附实验结果。同时对亚甲基蓝吸附的热力学和动力学进行了研究。结果表明,球形纤维素吸附剂对阳离子染料具有很好的吸附效果:在相同的吸附温度和/或吸附时间下,纤维素吸附剂对中性红的吸附量均高于亚甲基蓝,在优化条件下吸附剂对水溶液中亚甲基蓝及中性红的的静态吸附量分别达到335 mg/g和498mg/g,且纤维素吸附剂具有良好的再生性能,回收率高,并可重复使用。吸附剂对亚甲基蓝的静态等温吸附符合Langmuir和Freundlich吸附等温式。对亚甲基蓝吸附的热力学和吸附动力学研究结果表明球形纤维素吸附剂对阳离子染料的吸附以化学吸附为主;吸附过程的速度由表面扩散和颗粒内扩散联合控制,但以颗粒内扩散为主。 论文还进行了球形纤维素吸附剂制备过程中离子液体回收和再利用的研究,提出了用于纤维素均相接枝共聚改性的亲水性离子液体的回收方法:设计了串联水凝固浴,多次对接枝反应单元累积凝固富集离子液体,经减压蒸馏及过滤除杂后,用丙酮萃取离子液体中的少量水分,减少了后续除水的步骤。整个回收过程降低了蒸馏能耗,离子液体回收率达68.5%。回收的离子液体的FTIR及1H-NMR表征表明回收的离子液体较纯。利用回收离子液体制备的纤维素吸附剂对亚甲基蓝溶液仍有较好的吸附效果,具有良好的再生性。纤维素吸附剂制备过程中使用的石蜡、丙酮等也可回收利用。 由于所制备的球形纤维素吸附剂具有原料易得,吸附性能好,再生重复使用效果好的优点,且制备过程中使用的离子液体等大部分溶剂均可以相对较高的比率回收,因此具有广阔的应用前景。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TQ424

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【参考文献】
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