粉煤灰磁珠复合材料的制备及其吸附研究

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近年来,随着工业的不断发展,火力发电厂的燃烧废料粉煤灰与各类有色冶炼/电镀工厂重金属离子造成的环境污染问题日益严重,因此以工业废料粉煤灰作为原材料,通过与高分子材料复合、表面改性、接枝等方法制备新型复合材料,应用于重金属离子的废水处理。一方面可以对废水中贵、重金属进行处理,另一方面可以充分利用废弃资源,达到“以废治废”的目标,减轻对环境污染的压力。本研究以火电厂废料粉煤灰磁珠(MFA)为原材料,分别制备了壳聚糖/粉煤灰磁珠复合吸附剂(CPCMFA)、硫脲接枝的粉煤灰磁珠吸附剂(TPCMFA)和脒基硫脲接枝的粉煤灰磁珠吸附剂(GPCMFA),分别应用于不同种类的贵、重金属离子的吸附。CPCMFA吸附剂是以聚多巴胺包覆、碳层沉积的粉煤灰磁珠为基材,以壳聚糖:PCMFA为3:1的比例共混、超声分散,通过溶胶凝胶法及冷冻干燥处理制得珠状颗粒吸附剂。为了研究其吸附行为,通过批量实验对其吸附平衡状态、动力学和选择性进行了研究,并研究了p H值对吸附效果的影响。采用傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、热重差示扫描量热法(TG-DSC)、扫描电镜(SEM)和振动样品磁法(VSM)对制备的吸附剂珠的性质、组成、形貌和磁性进行了表征,证实了该材料的结构及相应的吸附机理。吸附平衡及吸附动力学数据可由Langmuir等温线和拟二阶动力学模型较好的拟合,其最大吸附容量为56.82mg/g。由热力学数据可得该吸附过程是自发和吸热的。该材料表现出较高的吸附容量和对Ag(Ⅰ)的高选择性,重复性研究表明,该吸附剂在5次吸附-解吸循环后,其吸附能力无明显损失。TPCMFA吸附剂是以PCMFA为基材,通过在富含羟基、氨基的聚多巴胺表面接枝具有丰富N、S原子的硫脲(TU)制得对Ag(Ⅰ)具有高吸附容量、高选择性的吸附剂。通过对CMFA、PCMFA和TPCMFA的吸附行为进行对比证明接枝硫脲后的吸附效果比未接枝前有了提升了约40%的最大吸附容量。EDS能谱分析证明TPCMFA吸附剂中有S元素的存在,XRD结果证明TPCMFA吸附剂中存在与2-硫乙内酰脲相似的物质。在30°C、最佳吸附的p H(p H=5)下,该吸附剂的最大吸附容量可以达到96.15mg/g。通过对实验数据的拟合,该吸附过程符合Langmuir等温线和伪二阶动力学模型。其热力学数据表明该吸附过程是自发吸热的并且温度的升高对吸附效果的提升明显。重复性实验表明,在5次吸附-解吸循环后,其吸附能力约为新制材料的70%。其吸附机理主要是由硫脲中S原子与Ag(Ⅰ)强烈的配位作用而产生的。GPCMFA吸附剂是由脒基硫脲(GTU)通过戊二醛接枝在PCMFA的聚多巴胺层上所制备的,具有对Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)同时吸附的作用。对该材料进行了FT-IR、XRD、TG-DSC、SEM等的表征,证实了该材料的改性是成功的。通过对吸附平衡和动力学实验数据进行拟合,发现该吸附过程符合Langmuir等温线和伪二阶动力学模型,GPCMFA在p H=3、30°C的条件下对Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)的最大吸附容量分别为38.02mg/g和29.58mg/g。对Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的热力学吸附实验数据表明该吸附过程是自发吸热。同时研究了不同p H条件下CMFA、PCMFA和GPCMFA分别对Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)两种离子同时吸附,结果显示CMFA与PCMFA均对Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)无明显吸附效果。
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