凹土多巴胺淀粉三维网络絮凝材料的制备与性能研究
铜作为人类微量元素之一，在生理功能上起着重要的作用，但过量的铜对环境和人类都具有极大的危害。本文以去除铜离子为研究对象，制备了多巴胺/凹土/淀粉复合絮凝材料。利用红外光谱、电镜扫描等进行对多巴胺/凹土/淀粉复合絮凝材料的理化性质的分析。结果表明，多巴胺成功包覆在凹土表面，凹土也成功接枝在淀粉分子上，提高了材料对铜离子的吸附性能。本文采用恒温振荡的方法研究了材料对铜离子的吸附性能，最佳制备方案：淀粉用量(相对凹土，下同)为125%，聚合反应时间为3 h，引发剂KMnO4质量分数为0.003%，反应温度为60℃。最佳吸附条件：pH为7，时间120min，投加量8mg，反应温度40℃时，去除率可达97.925%。符合Langmuir等温吸附模型和准二级动力学模型。关键词 多巴胺，凹土，淀粉，铜离子，吸附量，影响因子目 录
1 引言 6
1.1研究背景 6
1.1.1含Cu2+废水的危害 7
1.1.2絮凝技术的发展现状 7
1.2复合絮凝剂的研究和发展 7
1.2.1无机一淀粉高分子复合絮凝剂 8
1.2.2无机一壳聚糖高分子复合絮凝剂 8
1.2.3 其他无机天然有机高分子复合絮凝剂 9
1.3无机一淀粉高分子复合絮凝剂在水处理中的应用 9
1.4 淀粉复合絮凝剂在水处理中研究现状 10
1.5多巴胺加入意义 10
1.6选题依据及意义 11
2.实验部分 11
2.1凹土/多巴胺/淀粉复合絮凝材料的制备 11
2.1.1材料的设计路线 11
2.1.2 具体说明 12
2.1.3具体步骤 13
2.2材料的理化性质表征方法 13
2.2.1傅里叶一红外光谱分析( FT-IR )： 13
2.2.2 SEM扫描电镜： 14
2.2.3电子显微镜拍摄絮凝体结构 14
2.3 凹土/多巴胺/淀粉复合絮凝材料对铜离子吸附实验 14
2.3.1材料制备及工艺条件对其铜离子吸附性能的研究 14
2.3.2凹土/多巴胺/淀粉复合絮凝材料对铜离子吸附 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
13
2.2.1傅里叶一红外光谱分析( FT-IR )： 13
2.2.2 SEM扫描电镜： 14
2.2.3电子显微镜拍摄絮凝体结构 14
2.3 凹土/多巴胺/淀粉复合絮凝材料对铜离子吸附实验 14
2.3.1材料制备及工艺条件对其铜离子吸附性能的研究 14
2.3.2凹土/多巴胺/淀粉复合絮凝材料对铜离子吸附量的测定方法 15
2.3.3铜离子标准曲线的绘制 15
2.4实验试剂 16
2.5实验仪器 16
3.实验结果与讨论 17
3.1材料的表征结果 17
3.1.1傅里叶一红外光谱分析(FT-IR)： 17
3.1.2 SEM扫描电镜： 18
3.1.3 电子显微镜拍摄絮凝体结构 19
3.2材料制备条件及工艺条件对其铜离子吸附性能的研究 20
3.2.1聚合反应时间对铜离子吸附量的影响 20
3.2.2聚合体系温度对铜离子吸附量的影响 21
3.2.3 投加量对铜离子吸附量的影响 22
3.2.4 反应温度对铜离子吸附量的影响 24
3.3加入多巴胺的优势 26
3.4吸附等温曲线 26
3.5 吸附动力学 28
3.6吸附原理 31
结论与展望 32
致 谢 34
1 引言
1.1 研究背景
随着社会的高速发展和工业化程度的不断提高，重金属废水来源和数量不断增多，通过植物和动物在食物链中的累积、富集，对生物和人类健康构成严重的威胁。重金属是指比重大于5的金属，如铜、铅、铁、镍、福、汞、铬、银等[1]，因其毒性长期持久，难于降解或分离，易于随环境条件改变发生形态转化并释放从而造成不可逆污染，而且在微生物作用下可转化为毒性更强的金属化合物，通过食物链的生物积累、生物浓缩、生物放大等一系列作用最终危害人体健康。重金属废水主要来源于电镀、矿山开采、钢铁及有色金属的冶炼、印制电路板制造、化工企业、机械加工等部门[2,3]。如何有效地治理重金属污染已成为人类共同关注的问题，也是刻不容缓、迫在眉睫的课题。
1.1.1 含Cu2+废水的危害
铜(Cu)作为重金属之一，也是人体必需的微量元素，成人每日的需求量估计为20mg。但过量的铜具有较大的毒性，可造成肝肾损害，还能损伤红细胞而引起血管内溶血。水中铜达0. 0lmg/L时，水体自净有明显的抑制作用。铜对水生生物的毒性与其在水体中的形态有关，游离铜离子的毒性比络合态铜要大得多。灌溉水中硫酸铜对水稻的临界危害浓度为0. 6mg/L。世界范围内，淡水平均含铜3ug/L，海水平均含铜0. 25ug/L。铜的主要污染源有电镀、冶炼、五金、石油化工和化学工业等企业排放的废水[4]。
1.1.2 絮凝技术的发展现状
絮凝技术是目前国内外普遍用来提高水质处理的一种既经济又简便三维水处理方法，被广泛应用于循环用水和工业废水处理及污泥脱水等过程[5]。天然高分子材料做絮凝剂，具有材料来源广、无毒害作用等特点，且产物完全可被生物降解，在自然界形成良性循环[6]。在众多天然高分子絮凝剂中，复合型絮凝剂的研究尤为引人注目。复合型絮凝剂能克服单一絮凝剂的许多不足，适应范围广，对低浓度或高浓度水质、有色废水、多种工业废水都有良好净水效果；不但能提高絮凝过程中有机物的去除率，而且能降低残留金属离子浓度，减少二次污染，在处理效率高的基础上降低了处理成本，一次性加药，简化操作工艺[7]。
1.2 复合絮凝剂的研究和发展
从化学组成上来看,复合絮凝剂大致上可分为无机复合絮凝剂,有机复合絮凝剂以及无机有机复合絮凝剂三大类。虽然历年来已制造出种类繁多的无机一合成有机高分子复合絮凝剂，但是由于有机高分子组分难降解，成本还是相对较高，而且有些有毒如PAM，也大大影响了它们的应用[8]。研究高效率、低价位、高生态安全、低健康风险为特点的无机一天然有机高分子复合絮凝剂正成为水处理领域研究和开发的热点。这类复合絮凝剂报道较多的是无机一淀粉高分子复合絮凝剂和无机一壳聚糖高分子复合絮凝剂。
1.2.1 无机一淀粉高分子复合絮凝剂
淀粉类絮凝剂易生物降解，本身或中间降解产物对人体无毒，原料来源丰富，价格便宜，基于此无机一淀粉高分子复合絮凝剂的研制很受青睐。目前该类絮凝剂研究重点在于淀粉的改性，如通过引入一些官能团提高其水溶性，通过改性形成离子型高分子絮凝剂，通过引入一些可变官能团(如季钱盐等)和电荷密度添加剂提高电荷密度等，总的来说就是从水溶性和电荷密度上来提高其絮凝效果。目前,该类絮凝剂的研究大多处于实验室阶段,实验结果表明其絮凝效果好,无毒无污染,无疑是一类很有前景的环保型絮凝剂, 无机-有机高分子复合絮凝剂近年来以淀粉接枝聚丙烯酰胺尤为引人注目。淀粉经接枝改性
1 引言 6
1.1研究背景 6
1.1.1含Cu2+废水的危害 7
1.1.2絮凝技术的发展现状 7
1.2复合絮凝剂的研究和发展 7
1.2.1无机一淀粉高分子复合絮凝剂 8
1.2.2无机一壳聚糖高分子复合絮凝剂 8
1.2.3 其他无机天然有机高分子复合絮凝剂 9
1.3无机一淀粉高分子复合絮凝剂在水处理中的应用 9
1.4 淀粉复合絮凝剂在水处理中研究现状 10
1.5多巴胺加入意义 10
1.6选题依据及意义 11
2.实验部分 11
2.1凹土/多巴胺/淀粉复合絮凝材料的制备 11
2.1.1材料的设计路线 11
2.1.2 具体说明 12
2.1.3具体步骤 13
2.2材料的理化性质表征方法 13
2.2.1傅里叶一红外光谱分析( FT-IR )： 13
2.2.2 SEM扫描电镜： 14
2.2.3电子显微镜拍摄絮凝体结构 14
2.3 凹土/多巴胺/淀粉复合絮凝材料对铜离子吸附实验 14
2.3.1材料制备及工艺条件对其铜离子吸附性能的研究 14
2.3.2凹土/多巴胺/淀粉复合絮凝材料对铜离子吸附 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
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2.2.1傅里叶一红外光谱分析( FT-IR )： 13
2.2.2 SEM扫描电镜： 14
2.2.3电子显微镜拍摄絮凝体结构 14
2.3 凹土/多巴胺/淀粉复合絮凝材料对铜离子吸附实验 14
2.3.1材料制备及工艺条件对其铜离子吸附性能的研究 14
2.3.2凹土/多巴胺/淀粉复合絮凝材料对铜离子吸附量的测定方法 15
2.3.3铜离子标准曲线的绘制 15
2.4实验试剂 16
2.5实验仪器 16
3.实验结果与讨论 17
3.1材料的表征结果 17
3.1.1傅里叶一红外光谱分析(FT-IR)： 17
3.1.2 SEM扫描电镜： 18
3.1.3 电子显微镜拍摄絮凝体结构 19
3.2材料制备条件及工艺条件对其铜离子吸附性能的研究 20
3.2.1聚合反应时间对铜离子吸附量的影响 20
3.2.2聚合体系温度对铜离子吸附量的影响 21
3.2.3 投加量对铜离子吸附量的影响 22
3.2.4 反应温度对铜离子吸附量的影响 24
3.3加入多巴胺的优势 26
3.4吸附等温曲线 26
3.5 吸附动力学 28
3.6吸附原理 31
结论与展望 32
致 谢 34
1 引言
1.1 研究背景
随着社会的高速发展和工业化程度的不断提高，重金属废水来源和数量不断增多，通过植物和动物在食物链中的累积、富集，对生物和人类健康构成严重的威胁。重金属是指比重大于5的金属，如铜、铅、铁、镍、福、汞、铬、银等[1]，因其毒性长期持久，难于降解或分离，易于随环境条件改变发生形态转化并释放从而造成不可逆污染，而且在微生物作用下可转化为毒性更强的金属化合物，通过食物链的生物积累、生物浓缩、生物放大等一系列作用最终危害人体健康。重金属废水主要来源于电镀、矿山开采、钢铁及有色金属的冶炼、印制电路板制造、化工企业、机械加工等部门[2,3]。如何有效地治理重金属污染已成为人类共同关注的问题，也是刻不容缓、迫在眉睫的课题。
1.1.1 含Cu2+废水的危害
铜(Cu)作为重金属之一，也是人体必需的微量元素，成人每日的需求量估计为20mg。但过量的铜具有较大的毒性，可造成肝肾损害，还能损伤红细胞而引起血管内溶血。水中铜达0. 0lmg/L时，水体自净有明显的抑制作用。铜对水生生物的毒性与其在水体中的形态有关，游离铜离子的毒性比络合态铜要大得多。灌溉水中硫酸铜对水稻的临界危害浓度为0. 6mg/L。世界范围内，淡水平均含铜3ug/L，海水平均含铜0. 25ug/L。铜的主要污染源有电镀、冶炼、五金、石油化工和化学工业等企业排放的废水[4]。
1.1.2 絮凝技术的发展现状
絮凝技术是目前国内外普遍用来提高水质处理的一种既经济又简便三维水处理方法，被广泛应用于循环用水和工业废水处理及污泥脱水等过程[5]。天然高分子材料做絮凝剂，具有材料来源广、无毒害作用等特点，且产物完全可被生物降解，在自然界形成良性循环[6]。在众多天然高分子絮凝剂中，复合型絮凝剂的研究尤为引人注目。复合型絮凝剂能克服单一絮凝剂的许多不足，适应范围广，对低浓度或高浓度水质、有色废水、多种工业废水都有良好净水效果；不但能提高絮凝过程中有机物的去除率，而且能降低残留金属离子浓度，减少二次污染，在处理效率高的基础上降低了处理成本，一次性加药，简化操作工艺[7]。
1.2 复合絮凝剂的研究和发展
从化学组成上来看,复合絮凝剂大致上可分为无机复合絮凝剂,有机复合絮凝剂以及无机有机复合絮凝剂三大类。虽然历年来已制造出种类繁多的无机一合成有机高分子复合絮凝剂，但是由于有机高分子组分难降解，成本还是相对较高，而且有些有毒如PAM，也大大影响了它们的应用[8]。研究高效率、低价位、高生态安全、低健康风险为特点的无机一天然有机高分子复合絮凝剂正成为水处理领域研究和开发的热点。这类复合絮凝剂报道较多的是无机一淀粉高分子复合絮凝剂和无机一壳聚糖高分子复合絮凝剂。
1.2.1 无机一淀粉高分子复合絮凝剂
淀粉类絮凝剂易生物降解，本身或中间降解产物对人体无毒，原料来源丰富，价格便宜，基于此无机一淀粉高分子复合絮凝剂的研制很受青睐。目前该类絮凝剂研究重点在于淀粉的改性，如通过引入一些官能团提高其水溶性，通过改性形成离子型高分子絮凝剂，通过引入一些可变官能团(如季钱盐等)和电荷密度添加剂提高电荷密度等，总的来说就是从水溶性和电荷密度上来提高其絮凝效果。目前,该类絮凝剂的研究大多处于实验室阶段,实验结果表明其絮凝效果好,无毒无污染,无疑是一类很有前景的环保型絮凝剂, 无机-有机高分子复合絮凝剂近年来以淀粉接枝聚丙烯酰胺尤为引人注目。淀粉经接枝改性
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