溫度敏感性水凝膠的制備及其在銅離子吸附中的應(yīng)用.pdf

1、水凝膠作為一種具備三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子材料，可作為吸附劑用于去除廢液中的重金屬離子。本論文通過聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)水凝膠的溫敏性能來調(diào)控重金屬離子的吸附過程，利用溫敏水凝膠在最低臨界溶解溫度(LCST)附近的失水收縮達(dá)到濃縮重金屬離子、水質(zhì)凈化的目的。為保證溫敏水凝膠能滿足吸附劑實(shí)際應(yīng)用要求，在聚合過程中引入帶功能基團(tuán)的共聚單體改性溫敏水凝膠網(wǎng)絡(luò)，提高水凝膠自身的機(jī)械性能和對(duì)重金屬離子的吸附量;同時(shí)通過改性，使得溫敏水凝

2、膠具備了選擇吸附分離、識(shí)別響應(yīng)重金屬離子的功能，拓展了溫敏水凝膠吸附劑在去除重金屬離子方面新的應(yīng)用前景。在理論方面，以同步輻射小角X光散射(SAXS)為主要研究手段，表征溫度和重金屬離子對(duì)水凝膠內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)一步分析了水凝膠的相轉(zhuǎn)變和離子吸附機(jī)理。
　　在NIPAM的聚合過程中引入順丁烯二酸(MA)作為共聚單體，制備了化學(xué)交聯(lián)的P(NIPAM-MA)水凝膠。研究單體組成、單體濃度、交聯(lián)劑用量、引發(fā)劑用量、合成溫度等制備條件

3、對(duì)凝膠透光率、溶脹度、LCST、機(jī)械性能、Cu2+吸附性能的影響，發(fā)現(xiàn)不同制備條件下合成的P(NIPAM-MA)水凝膠，其結(jié)構(gòu)和性能有極大差異。在優(yōu)先保證凝膠的溫敏性能和重金屬離子高吸附量的前提下，確定了溫敏凝膠合適的制備條件為，為后續(xù)化學(xué)交聯(lián)凝膠的配方設(shè)計(jì)提供了參考范圍。
　　在合適的制備條件下，將丙烯酰胺(AM)引入共聚物網(wǎng)絡(luò)中，制得具有溫度和pH雙重敏感特性、可多次循環(huán)使用的P(NIPAM-AM-MA)水凝膠，將該凝膠作為吸

4、附劑去除水溶液中的Cu2+，通過吸附動(dòng)力學(xué)、吸附等溫線、吸附影響因素（溶液溫度及pH值）等實(shí)驗(yàn)，研究水凝膠對(duì)重金屬離子的吸附性能及其循環(huán)可利用性。當(dāng)溫度為30℃、CuSO4溶液的初始濃度為500mg/L時(shí)，P(NIPAM-AM-MA)水凝膠的最大飽和吸附量為24.4mg/g干凝膠，將達(dá)到吸附平衡的水凝膠取出并升溫至50℃，凝膠急劇收縮后釋放出自身質(zhì)量90％的水而幾乎不排出Cu2+。3次吸附-脫附循環(huán)后凝膠仍可回收利用且其Cu2+吸附量基

5、本保持不變。采用SAXS分析了溫度和Cu2+對(duì)水凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響，由擬合后的參數(shù)可知體積相變?cè)龃罅怂z的交聯(lián)聚集體尺寸和質(zhì)量分形維數(shù)，而Cu2+的加入則降低了二者的值。
　　為進(jìn)一步提高水凝膠的重金屬離子吸附量和機(jī)械性能，在NIPAM和N-乙烯基咪唑(Ⅵ)共聚過程中引入氧化石墨烯(GO)，利用離子印跡法和冷凍聚合法制得了Cu2+印跡的GO/P(NIPAM-Ⅵ)冷凍凝膠。與未經(jīng)離子印跡的傳統(tǒng)水凝膠相比，冷凍凝膠的退溶脹速率、壓縮

6、彈性模量和Cu2+吸附量均有明顯提升。在Cu2+、Zn2+、Ni2+和pb2+的混合溶液中，冷凍凝膠相轉(zhuǎn)變后對(duì)Cu2+表現(xiàn)出明顯的選擇吸附性。重點(diǎn)考察了pH值、Cu2+初始濃度、吸附時(shí)間、吸附溫度對(duì)GO/P(NIPAM-Ⅵ)冷凍凝膠Cu2+吸附量的影響。當(dāng)溫度為30℃、CuSO4溶液的初始濃度為500mg/L時(shí)，冷凍凝膠的最大飽和吸附量可達(dá)30.4mg/g干凝膠，復(fù)合水凝膠在3次吸附-脫附循環(huán)后Cu2+吸附量仍能保持不變。
　　除

7、了上述化學(xué)交聯(lián)的水凝膠外，還以NIPAM、MA和Ⅵ為共聚單體，制備了具有溫度、pH和重金屬離子三重敏感響應(yīng)的P(NIPAM-MA-Ⅵ)物理凝膠，探討了溫度、pH、單體組成、共聚物濃度、重金屬離子濃度、重金屬離子種類對(duì)P(NIPAM-MA-Ⅵ)相轉(zhuǎn)變和吸附性能的影響。在P(NIPAM-MA-Ⅵ)溶液中加入重金屬離子，利用共聚物中的羧基、咪唑基吸附溶液中的重金屬，再通過升溫使共聚物從溶液轉(zhuǎn)變?yōu)槭湛s凝膠，將重金屬離子從溶液中分離出來，也可達(dá)到