羥基磷灰石-殼聚糖三維多孔材料的制備及其去除污水中鉛離子性能研究.pdf

1、重金屬通常對(duì)環(huán)境和生物體具有急性或慢性毒性，不僅會(huì)干擾人體的正常的新陳代謝，也間接導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷，DNA修復(fù)和認(rèn)知抑制。因此，重金屬的環(huán)境污染問題引起了世界各國的普遍關(guān)注。在研究開發(fā)出各種處理重金屬離子的技術(shù)中，吸附法被認(rèn)為是一種經(jīng)濟(jì)有效的去除重金屬方法。理想吸附劑材料需要滿足以下要求:(i)具有對(duì)重金屬離子有良好的吸附能力;(ii)具有三維貫通的大孔結(jié)構(gòu)，高比表面積、孔體積且易和水體實(shí)現(xiàn)分離;(iii)具有對(duì)環(huán)境無毒友好、原材料

2、價(jià)廉易得的特點(diǎn);(iv)具有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能和良好的可加工性，以便于在工業(yè)廢水中廣泛應(yīng)用。在本文的研究中，我們結(jié)合冷凍干燥技術(shù)分別采用混合法、原位轉(zhuǎn)化法和礦化法制備出羥基磷灰石/殼聚糖三維多孔材料，借助FESEM、TEM、EDS、XRD、FTIR、BET、PMI和電子萬能試驗(yàn)機(jī)的分析技術(shù)研究了吸附Pb2+前后三種材料的微觀形貌、物相結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，并深入研究了三種材料對(duì)Pb2+的吸附性能和吸附機(jī)理。
　　采用混合法制備出的羥基磷灰石

3、/殼聚糖三維多孔材料(HCPMs)具有三維相互連通的多孔結(jié)構(gòu)，孔徑為100～400μm，HA均勻地分布在HCPMs的薄膜片的表面和內(nèi)部。HA晶體主要沿c軸生長，且結(jié)晶度較低。HCPMs的總孔隙率為90.89％，最大應(yīng)力為0.90±0.05MPa。吸附Pb2+離子后，殼聚糖三維多孔材料(CPMs)的表面長出了許多透明的小薄片狀CS-Pb絡(luò)合物，薄片大小約10μm。而HCPMs的表面堆積了許多的納米棒狀鉛磷灰石(PbHA)，這些納米棒狀Pb

4、HA在材料表面不同的區(qū)域所顯示的形貌大小有所不同。在實(shí)驗(yàn)溫度25℃，恒定流速為0.8 mL/min，Pb2+溶液的濃度和pH分別為400 mg/L和5.5的條件下，HCPMs對(duì)Pb2+的平衡吸附量可達(dá)到264.42 mg/g。
　　采用原位轉(zhuǎn)化法制備出的羥基磷灰石/殼聚糖三維多孔材料(THCMs)具有三維相互連通的多孔結(jié)構(gòu)，且孔徑為50～150μm。納米片狀HA厚度為50～150 nm，片狀HA之間的孔隙尺寸為0.2～1.0μm，

5、納米片狀HA垂直于顆粒表面，并堆積成花簇狀。THCMs的總孔隙率為91.76％，最大應(yīng)力為1.02±0.02 MPa。吸附Pb2+后，THCMs表面上的納米片狀HA逐漸轉(zhuǎn)化成六角棒狀的納米PbHA，直徑為約50nm。不同的Pb2+初始濃度對(duì)材料的吸附性能也有一定的影響。在實(shí)驗(yàn)溫度25℃，恒定流速為0.8 mL/min，Pb2+溶液pH為5.5的條件下，THCMs在Pb2+離子溶液濃度分別為200mg/L、400mg/L和800mg/L時(shí)

6、的平衡吸附量分別為387.91mg/g、559.29 mg/g和848.30 mg/g。
　　采用礦化法制備出的羥基磷灰石/殼聚糖三維多孔材料(MHCMs)具有三維相互連通的多孔結(jié)構(gòu)，其大孔孔徑為100～300μm。其薄膜片上生成的納米HA長約500 nm，顆粒直徑約20 nm，且棒狀顆粒均勻分布在MHCMs的多孑孔薄膜表面。MHCMs的總孔隙率為94.40％，且HCPMs、THCMs和MHCMs的孔隙率的順序?yàn)镸HCMs＞HCP

7、Ms＞THCMs。MHCMs最大應(yīng)力為0.93±0.03MPa，且HCPMs、THCMs和MHCMs的力學(xué)性能的順序?yàn)門HCMs＞MHCMs＞HCPMs。MHCMs孔道表面上的納米棒狀HA通過化學(xué)吸附作用吸附Pb2+，轉(zhuǎn)化成長度為1～3μm和直徑為50～200nm的棒狀的PbHA。MHCMs的表面的CS通過絡(luò)合作用吸附Pb2+，生成了納米片狀CS-Pb。隨著溶液的pH值降低，MHCMs對(duì)Pb2+離子的最大吸附量增大。當(dāng)pH分別為2.5、

8、4.0、5.5和7.0時(shí)，測得的MHCMs對(duì)Pb2+離子的平衡吸附量分別為543.9 mg/g、337.7 mg/g、281.7 mg/g和208.0mg/g。
　　在相同實(shí)驗(yàn)條件下，材料的吸附性能順序?yàn)門HCMs＞MHCMs＞HCPMs，這主要是由材料中HA的含量和形貌結(jié)構(gòu)決定的，THCMs中HA含量最多，且HA呈納米片狀結(jié)構(gòu)，比表面積最大。HCPMs、THCMs和MHCMs吸附Pb2+離子前后的微觀形貌和物相結(jié)構(gòu)存在顯著的變化

9、，這表明材料中的HA在Pb2+溶液中通過溶解-沉積反應(yīng)生成PbHA。HA在Pb2+溶液中溶解釋放出的PO43-離子和OH-離子使得離子濃度逐漸增大。當(dāng)離子的活度積大于PbHA的溶度積時(shí)，PbHA納米晶體會(huì)通過將HA和CS作為活性位在多孔材料的表面進(jìn)行原位沉積。采用準(zhǔn)一級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)和準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型來描述和分析HCPMs、THCMs和MHCMs對(duì)Pb2+離子的吸附性能，研究表明準(zhǔn)一級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)和準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)均適合HCPMs、THC