壳聚糖微球及胶囊对水溶液中砷、铬的吸附研究

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本文以壳聚糖为原料,采用戊二醛以及三聚磷酸钠作为交联剂制备壳聚糖微球以及壳聚糖胶囊,分别以As(Ⅲ)以及Cr(Ⅵ)为目标污染物,探究活性物质含量、溶液pH值、吸附时间、摇床转速、溶液浓度、温度以及共存离子等因素对壳聚糖微球和胶囊对目标污染物的吸附影响。主要研究内容如下:(1)铁掺杂壳聚糖微球对As(Ⅲ)静态吸附结果表明:吸附剂中铁含量的增加有利于对溶液中As(Ⅲ)的吸附,且当溶液pH=8时,吸附量达到最大。吸附动力学结果表明,当摇床转速较小时,铁掺杂壳聚糖微球对As(Ⅲ)的吸附速率被液膜扩散所控制。随着摇床转动速度的增加,吸附速率的控制因素由液膜扩散转变为化学反应速率所控制。吸附等温结果表明,铁掺杂壳聚糖微球对As(Ⅲ)的吸附以化学吸附为主,且吸附剂上的活性位点非均匀分布。吸附热力学表明,吸附剂对As(Ⅲ)的吸附为自发放热反应,且在吸附过程中体系混乱度减小。同时,体系能量降低为铁掺杂壳聚糖微球对As(Ⅲ)吸附自发反应可以进行的推动力。共存离子干扰实验表明,PO43-离子对铁掺杂壳聚糖微球吸附As(Ⅲ)的抑制作用最强,SO42-次之,NO3-抑制作用最弱。循环吸附实验结果表明,NaOH可以有效实现对铁掺杂壳聚糖微球的再生。FT-IR以及XPS分析结果表明,铁掺杂壳聚糖微球对As(Ⅲ)的吸附主要是通过As(Ⅲ)离子上的氧与吸附剂上的铁通过配位作用而实现。(2)壳聚糖胶囊(ALCC)对水溶液中的Cr(Ⅵ)离子静态吸附实验结果如下:随着ALCC中Aliquat-336含量的增加,其对溶液中Cr(Ⅵ)离子的吸附量随之增加。在溶液初始pH=2时,ALCC对溶液中的Cr(Ⅵ)离子吸附量达到最大。吸附动力学表明,随着摇床转速增加,ALCC对Cr(Ⅵ)离子吸附速率的控制因素由液膜扩散转向化学反应速率所控制。等温吸附实验结果表明,ALCC对Cr(Ⅵ)离子的吸附以单层化学吸附为主。在293、303、313、323 K条件下,ALCC1.60g对溶液中Cr(Ⅵ)的最大吸附量分别为110.38、107.30、105.04、101.83 mg·g-1。吸附热力学表明,ALCC对Cr(Ⅵ)离子的吸附为自发放热过程,且自发反应的推动作用力为体系能量的降低。水溶液中常见阴离子对ALCC吸附Cr(Ⅵ)的抑制作用如下:SO42->NO3->PO43-。数码照片、XPS分析结果表明,ALCC将Cr(Ⅵ)离子吸附至ALCC内部以后,会将Cr(Ⅵ)离子缓慢还原为Cr(Ⅲ)离子。同时,吸附剂上的Cr(Ⅲ)离子被逐渐释放至壳聚糖-TPP外壳以及溶液中。(3)壳聚糖胶囊(CYCC)对水溶液中Cr(Ⅵ)离子吸附实验结论与ALCC吸附Cr(Ⅵ)离子所得结论基本一致。即活性组分CYPH@IL-101在吸附过程中起主要作用,且在溶液初始pH=2时吸附量最大。随着摇床转速的增加,影响吸附速率的控制因素由液膜扩散转向化学吸附速率所控制。等温吸附表明,CYCC对Cr(Ⅵ)离子的吸附以单层化学吸附为主。在吸附温度为293、303、313、323K条件下,CYCC1.6 mL对溶液中Cr(Ⅵ)离子的最大吸附量分别为113.77、110.50、106.50、103.52 mg·g-1。吸附热力学表明,CYCC对Cr(Ⅵ)离子的吸附过程为自发放热过程,且体系混乱度降低。同时自发过程可以进行的推动力为体系能量的降低。共存离子干扰实验表明,SO42-对CYCC吸附Cr(Ⅵ)离子抑制作用最大,NO3-次之,PO43-影响最小。XPS分析结果表明,CYCC将Cr(Ⅵ)离子吸附至胶囊内部以后会将其缓慢还原为Cr(Ⅲ)。
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