凝膠型吸附劑的制備及吸附重金屬行為的研究.pdf

1、隨著工業(yè)化與城鎮(zhèn)化的進(jìn)程不斷加快，高污染物排放與低資源利用率，使環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)急劇增大，人們的生存環(huán)境正受到嚴(yán)重威脅。比如含鎘、鉛、鉻等元素的廢水大量排放，有毒重金屬污染給生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)健康帶來(lái)了日益嚴(yán)重的危害。目前，重金屬污染的主要來(lái)源為工業(yè)排放，因此排放廢水中重金屬離子濃度必須嚴(yán)格限制。對(duì)于重金屬排放處理，吸附技術(shù)被認(rèn)為是一個(gè)最有效的處理手段，然而傳統(tǒng)的吸附材料或多或少存在缺陷。為此，對(duì)高性能吸附材料進(jìn)行了大量的研究，盡管在一定程度上提高

2、了吸附性能，然而對(duì)于實(shí)際應(yīng)用仍存在問(wèn)題:(1)較慢的吸附速率，(2)吸附性能的損失，(3)難以回收。對(duì)于顆粒狀的吸附劑，較慢的內(nèi)孔擴(kuò)散限制了其快速吸附，此外內(nèi)部結(jié)構(gòu)的堆疊填埋使其吸附容量降低。雖然納米吸附材料具有較快的吸附速率和較高的吸附容量，但難以分離，而且非有效的分離會(huì)增加操作成 本以及引起二次污染。本論文以重金屬的富集、去除為目的，合成了幾種新型的凝膠吸附材料，并對(duì)其吸附性能展開(kāi)了詳細(xì)深入的研究。主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的工作：

3、r>　　(1)通過(guò)一步溶膠凝膠法制備出一種海綿體的聚硅氧烷-氧化石墨烯(PS-GO)氣凝膠吸附材料。聚硅氧烷顆粒的粒徑約為5μm，并成功與石墨烯形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)廢水中Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)的吸附實(shí)驗(yàn)表明:該P(yáng)S-GO凝膠對(duì)Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)的理論最大吸附量高達(dá)256和137 mg/g，此外該凝膠還表現(xiàn)出良好的機(jī)械性能和再生能力，可多次重復(fù)使用。在靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)中，PS-GO凝膠經(jīng)過(guò)5次循環(huán)使用后，對(duì)工業(yè)廢水中的Pb(Ⅱ)仍具有

4、良好的處理能力，Pb(Ⅱ)的濃度從3.225 mg/L下降到了0.01 mg/L以下，去除率高達(dá)99％以上。在動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)中，將PS-GO凝膠填充于填充柱內(nèi)進(jìn)行吸附，在達(dá)到1％透過(guò)曲線(xiàn)前，填充柱對(duì)廢水中Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)的處理能力分別為720和480 BV，而且每個(gè)周期僅需11.3 mL的洗脫液進(jìn)行再生，實(shí)現(xiàn)了原位吸附和再生，且產(chǎn)生的淤泥量幾乎為零。
　　(2)采用一種簡(jiǎn)單的自由基聚合的方法，巧妙的設(shè)計(jì)出一種聚兩性電解質(zhì)(PP

5、-GO)水凝膠。由于PP-GO凝膠具有優(yōu)秀的機(jī)械性能，在水中具有很好的穩(wěn)定性，該凝膠能快速的分離，并易再生，能多次重復(fù)使用。由于修飾了三乙烯四氨，PP-GO凝膠上擁有大量的活性基團(tuán)，對(duì)Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)的理論最大吸附量分別為216.1 mg/g和153.8 mg/g。此外由于PP-GO凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及較大的滲透性，使其重金屬離子極易擴(kuò)散到吸附劑內(nèi)部，表現(xiàn)出較快的吸附速率，在30分鐘便能達(dá)到吸附平衡，且在較寬的pH范圍內(nèi)(3～6

6、)保持較好的吸附效果。通過(guò)填充柱吸附實(shí)驗(yàn)表明，PP-GO凝膠對(duì)實(shí)際工業(yè)廢水中的Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)具有較好的去除能力，其填充柱出口處排放濃度滿(mǎn)足排放標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)采用一個(gè)填充柱時(shí)，Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的處理量分別為684 BV和200 BV。通過(guò)三個(gè)填充柱串聯(lián)操作，Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的處理量可高達(dá)2772 BV和750 BV，且只需要12 BV的洗脫液便能完全解吸。當(dāng)實(shí)際工業(yè)廢水處理量控制在624 BV時(shí)，廢水中所有的金屬離子均能有效

7、的去除（濃度低于0.01 mg/L）。
　　(3)通過(guò)廉價(jià)的淀粉、丙烯酸和三乙烯四氨作為原料，設(shè)計(jì)并制備出一種雙網(wǎng)絡(luò)凝膠吸附劑，用于廢水中Cd(Ⅱ)離子的去除。通過(guò)吸附實(shí)驗(yàn)表明凝膠吸附劑能在較寬的pH范圍(2.5～7.0)范圍內(nèi)進(jìn)行有效的吸附。由于水凝膠具有優(yōu)異的滲透性，Cd(Ⅱ)離子能快速擴(kuò)散進(jìn)入到凝膠的內(nèi)部。在Cd(Ⅱ)離子濃度高達(dá)120 mg/L，吸附劑用量為1g/L時(shí)，吸附過(guò)程也能在45分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全吸附。此外，由于活性位

8、點(diǎn)的完全暴露，使凝膠對(duì)Cd(Ⅱ)具有非常高的吸附容量，其理論最大吸附量高達(dá)256 mg/g，且在Cd(Ⅱ)離子濃度低于180 mg/L時(shí)，僅為1 g/L的吸附劑用量便能達(dá)到完全吸附。在實(shí)際工業(yè)廢水吸附實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)凝膠用量為4 g/L時(shí)，除了少量的鋅離子，其余均能完全去除。在填充柱實(shí)驗(yàn)中，即便Cd(Ⅱ)離子濃度高達(dá)200mg/L，在達(dá)到1％透過(guò)曲線(xiàn)時(shí)，其處理量高達(dá)2400 BV，而僅僅需要48 BV的洗脫液。
　　(4)采用了黃麻和丙

9、烯酸通過(guò)簡(jiǎn)單的方法制備出了一種雙網(wǎng)絡(luò)凝膠。相比塊狀堆疊結(jié)構(gòu)的黃麻，Jute/PAA凝膠表現(xiàn)出三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。對(duì)Jute/PAA凝膠和黃麻吸附廢水中Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)進(jìn)行了研究，并考察了該凝膠在水中的穩(wěn)定性。發(fā)現(xiàn)Jute/PAA凝膠使用pH范圍大于黃麻，并表現(xiàn)出優(yōu)異的抗離子干擾能力。吸附速率同樣快于黃麻，僅需10分鐘便能達(dá)到吸附平衡。此外Jute/PAA凝膠在303 K下對(duì)Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的最大吸附量為508 mg/g和380