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)險急劇增大，人們的生存環(huán)境正受到嚴重威脅。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)和人類健康帶來了日益嚴重的危害。目前，重金屬污染的主要來源為工業(yè)排放，因此排放廢水中重金屬離子濃度必須嚴格限制。對于重金屬排放處理，吸附技術(shù)被認為是一個最有效的處理手段，然而傳統(tǒng)的吸附材料或多或少存在缺陷。為此，對高性能吸附材料進行了大量的研究，盡管在一定程度上提高

2、了吸附性能，然而對于實際應(yīng)用仍存在問題:(1)較慢的吸附速率，(2)吸附性能的損失，(3)難以回收。對于顆粒狀的吸附劑，較慢的內(nèi)孔擴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，并對其吸附性能展開了詳細深入的研究。主要進行了以下幾個方面的工作：

3、r>　　(1)通過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)。通過對廢水中Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)的吸附實驗表明:該PS-GO凝膠對Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)的理論最大吸附量高達256和137 mg/g，此外該凝膠還表現(xiàn)出良好的機械性能和再生能力，可多次重復(fù)使用。在靜態(tài)吸附實驗中，PS-GO凝膠經(jīng)過5次循環(huán)使用后，對工業(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99％以上。在動態(tài)吸附實驗中，將PS-GO凝膠填充于填充柱內(nèi)進行吸附，在達到1％透過曲線前，填充柱對廢水中Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)的處理能力分別為720和480 BV，而且每個周期僅需11.3 mL的洗脫液進行再生，實現(xiàn)了原位吸附和再生，且產(chǎn)生的淤泥量幾乎為零。
　　(2)采用一種簡單的自由基聚合的方法，巧妙的設(shè)計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，對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。通過填充柱吸附實驗表明，PP-GO凝膠對實際工業(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足排放標準。當(dāng)采用一個填充柱時，Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的處理量分別為684 BV和200 BV。通過三個填充柱串聯(lián)操作，Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的處理量可高達2772 BV和750 BV，且只需要12 BV的洗脫液便能完全解吸。當(dāng)實際工業(yè)廢水處理量控制在624 BV時，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)通過廉價的淀粉、丙烯酸和三乙烯四氨作為原料，設(shè)計并制備出一種雙網(wǎng)絡(luò)凝膠吸附劑，用于廢水中Cd(Ⅱ)離子的去除。通過吸附實驗表明凝膠吸附劑能在較寬的pH范圍(2.5～7.0)范圍內(nèi)進行有效的吸附。由于水凝膠具有優(yōu)異的滲透性，Cd(Ⅱ)離子能快速擴散進入到凝膠的內(nèi)部。在Cd(Ⅱ)離子濃度高達120 mg/L，吸附劑用量為1g/L時，吸附過程也能在45分鐘內(nèi)實現(xiàn)完全吸附。此外，由于活性位

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

9、烯酸通過簡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Jute/PAA凝膠和黃麻吸附廢水中Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)進行了研究，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分鐘便能達到吸附平衡。此外Jute/PAA凝膠在303 K下對Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的最大吸附量為508 mg/g和380