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基本信息

項目名稱：
殼聚糖基納米微粒對Ni2+的吸附性能研究
小類：
能源化工
簡介：
本作品以來源固廢物蝦蟹殼的殼聚糖為原料，合成了羥丙基殼聚糖、O-羧甲基殼聚糖、O-羧甲基殼聚糖季銨鹽三種殼聚糖衍生物，并采用離子凝膠法制備成納米微粒，探討了pH、Ni2+起始濃度、納米粒徑、吸附劑用量、耐酸性能和解吸附性能等對三種殼聚糖基納米微粒吸附Ni2+的影響，結(jié)果表明殼聚糖基納米微粒具有許多優(yōu)良特性，這將有助于在廢水治理中的應(yīng)用，為制備成具有耐酸和再生的新型綠色吸附劑奠定基礎(chǔ)。
詳細(xì)介紹：
以殼聚糖為原料，合成了三種殼聚糖衍生物，并通過離子凝膠法將其制備成納米微粒，分別研究了它們對Ni2+的吸附性能?？疾炝藀H、Ni2+起始離子濃度、吸附時間、納米粒徑、吸附劑用量等因素對納米殼聚糖基吸附劑吸附Ni2+效果的影響，并比較了制備成納米吸附劑前后對Ni2+的吸附性能的差異。然后通過XRD對吸附劑吸附Ni2+前后結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化進(jìn)行了表征和分析。最后研究了三種殼聚糖基納米吸附劑的耐酸性能和解吸附性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米殼聚糖基吸附劑具有非常高的吸附容量，納米吸附劑能表現(xiàn)出許多優(yōu)良特性。主要結(jié)論如下： （1）將環(huán)氧丙烷與殼聚糖進(jìn)行反應(yīng)，制備了取代度為0.732的羥丙基殼聚糖。當(dāng)HCS溶液的濃度在0.8～2.0 mg/mL范圍，TPP的濃度在0.4～1.0mg/mL范圍時均可以生成HCS納米粒。初始HCS和TPP的濃度對納米粒粒徑有影響。HCS濃度從0.8 mg/mL增加到2.0 mg/mL，納米粒粒徑從150 nm左右增加到300 nm左右。TPP濃度從0.8 mg/mL增加到1.0 mg/mL，粒徑減小了約50 nm。粒度分析結(jié)果表明其粒度分布比較窄，粒徑主要分布在200～300nm；透射電鏡觀察顯示該納米粒呈球狀，形狀規(guī)整。HCS納米粒對Ni2+吸附性能研究表明：HCS納米粒吸附Ni2+的最適pH為6.0～7.0，此時吸附速率最快，僅需1h達(dá)到吸附平衡，吸附容量也最大。粒徑較小的納米微粒對Ni2+的吸附量要大于粒徑較大的吸附量，這表明比面積越大，裸露在表面的官能團(tuán)就能更充分的和Ni2+發(fā)生絡(luò)合作用，與金屬離子的配位作用點也就越多，從而吸附量越大。XRD顯示HCS納米粒能較HCS吸附更多的Ni2+，且吸附得更加牢固，并對形成的新晶形HCS-Ni(Ⅱ)有顯著貢獻(xiàn)。對Ni2+的解吸附實驗表明：脫附能力H2SO4> HCl> HNO3>EDTA；使用H2SO4，脫附時間只需0.5h便能達(dá)到85%以上的脫附率，而且重現(xiàn)性較好。 （2）將殼聚糖與氯乙酸反應(yīng)制備了取代度為0.712的O-羧甲基殼聚糖。當(dāng)O-CMCS溶液的濃度為0.4～1.6mg/mL，TPP的濃度為0.1mg/mL或O-CMCS溶液的濃度為1.0 mg/mL，TPP的濃度為0.1～0.4 mg/mL時均可以生成O-CMCS納米粒。粒度分析表明其粒徑主要分布在370～710nm；透射電鏡觀察顯示該納米粒呈球狀，形狀規(guī)整。O-CMCS納米粒對Ni2+的吸附研究表明：pH為8時，最有利于O-CMCS納米粒對Ni2+溶液的吸附，吸附達(dá)到平衡的時間為0.5 h，此時吸附容量最大。O-CMCS納米粒對一定溶度的Ni2+溶液具有很大的吸附率，即對Ni2+的去除率顯著高于用HCS納米粒。取代度越高，粒徑越小，越有利于吸附。XRD分析顯示O-CMCS納米粒能較O-CMCS吸附更多的Ni2+，且吸附得更加牢固，并對形成的新晶形O-CMCS-Ni(Ⅱ)有顯著貢獻(xiàn)。通過對O-CMCS納米粒脫附研究，發(fā)現(xiàn)四種脫附劑的脫附能力H2SO4＞HCl＞HNO3＞EDTA，結(jié)果顯示H2SO4是一種很好的脫附劑，能在 0.5 h 內(nèi)將吸附在O-CMCS納米粒表面上的Ni2+脫去90%以上。 （3）以3－氯－2－羥丙基三甲基氯化銨為季銨陽離子化試劑和制備的取代度為0.712的O-CMCS進(jìn)行反應(yīng)，合成了季銨鹽取代度為0.563的O-羧甲基殼聚糖季銨鹽。當(dāng)O-CMHACC濃度為0.4～2.5mg/mL，TPP濃度為0.4～1.0 mg/mL時，或TPP濃度為1.5 mg/mL，O-CMHACC濃度為0.8～1.5 mg/mL時均可生成O-CMHACC納米粒。粒度分析表明粒徑主要分布在400～900nm。O-CMHACC納米粒的吸附研究表明：pH為8時，最有利于O-CMHACC納米粒對Ni2+溶液的吸附，吸附達(dá)到平衡的時間為1h。粒徑較小的O-CMHACC納米粒與金屬離子的配位作用點更多，從而吸附容量更大。XRD分析結(jié)果表明：Ni2+在O-CMHACC中的吸附、配位可以滲透進(jìn)O-CMHACC的晶區(qū)，并使其晶區(qū)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，O-CMHACC納米粒較O-CMHACC能吸附更多的Ni2+，滲透進(jìn)O-CMHACC晶區(qū)的Ni2+也更多。對O-CMHACC及其納米粒脫附研究發(fā)現(xiàn)：H2SO4、HNO3、HCl、EDTA四種脫附劑的脫附能力為HCl＞H2SO4＞HNO3＞EDTA，吸附劑O-CMHACC的脫附效率較高，制備成納米粒后還得到了一定提高，脫附速度也更快，這與納米吸附劑比表面積大所表現(xiàn)出的特性有關(guān)。 （4）在質(zhì)量相同、粒徑相同、取代度近似的條件下，對比三種納米吸附劑對Ni2+的吸附性能發(fā)現(xiàn)：O-CMCS納米粒吸附性能明顯優(yōu)于HCS納米粒，而二次改性后的產(chǎn)物O-CMHACC納米粒對Ni2+的吸附性能只較O-CMCS納米粒略有提高，不過耐酸性卻得到了明顯提高。

作品圖片

  • 殼聚糖基納米微粒對Ni2+的吸附性能研究
  • 殼聚糖基納米微粒對Ni2+的吸附性能研究
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作品專業(yè)信息

設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

含重金屬鎳廢水是一種危害較大的工業(yè)廢水，它主要來自于礦產(chǎn)工業(yè)、有色冶金工業(yè)、金屬加工、電鍍、儀器儀表及各種應(yīng)用鎳化合物的企業(yè)。鎳對人體和環(huán)境都有很大的危害性，如何從工業(yè)廢水中除去有毒的重金屬離子特別是Ni2+成為了關(guān)注的熱點。殼聚糖屬多糖類聚合物，其原料來源主要為海產(chǎn)品加工廢料，因此成本較低，并且殼聚糖具有生物可降解性，屬環(huán)保型吸附劑。殼聚糖具有良好的螯合吸附性能，可有效的去除工業(yè)廢水中的重金屬，但是殼聚糖耐酸性差、改性殼聚糖吸附量低等，這些問題限制了殼聚糖作為吸附劑的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。為此，本作品以當(dāng)今前沿研究的熱點納米材料為思路，保留改性殼聚糖吸附性能優(yōu)越之處，通過把其制備成殼聚糖基納米吸附劑以提高其吸附容量和增加吸附劑的某些納米材料特性。作品以殼聚糖為原料，合成了三種殼聚糖衍生物，并通過離子凝膠法將其制備成新型的納米殼聚糖基微粒后用作吸附Ni2+，結(jié)果表明納米殼聚糖基吸附劑具有非常高的吸附容量，納米吸附劑能表現(xiàn)出許多優(yōu)良特性。

科學(xué)性、先進(jìn)性

重金屬離子廢水還是主要工業(yè)污染源之一, 由于其不能被常規(guī)手段分解和破壞,故被稱為“永久性污染物”。傳統(tǒng)的重金屬離子的處理方法有化學(xué)沉淀、電解、離子交換、活性炭吸附、氧化還原法及溶劑萃取分離法等。但多數(shù)成本較高，或操作復(fù)雜，后處理不易。吸附是從工業(yè)廢水中去除重金屬離子最為廣泛采用的方法，目前已開發(fā)的吸附劑主要有活性炭、合成樹脂、生物吸附劑如甲殼素、殼聚糖、環(huán)糊精、淀粉等。吸附是人們所熟知的平衡過程，是廉價高效的分離工藝，廣泛用于去除水體中的重金屬和有機(jī)污染物、貴金屬和稀有金屬的分離富集、以及化學(xué)分析領(lǐng)域。 殼聚糖屬多糖類聚合物，其原料來源主要為海產(chǎn)品加工廢料，因此成本較低，并且殼聚糖具有生物可降解性，屬環(huán)保型吸附劑。殼聚糖基吸附劑可通過物理或化學(xué)作用吸附金屬離子、染料和有機(jī)分子。利用殼聚糖吸附分離或富集金屬離子，具有經(jīng)濟(jì)有效、工藝簡單、易于操作的優(yōu)點，是處理工業(yè)廢水中重金屬污染的有效途徑。因此，開發(fā)殼聚糖基吸附劑，特別是殼聚糖基納米吸附劑具有一定的工業(yè)實際應(yīng)用價值。

獲獎情況及鑒定結(jié)果

2011年5月榮獲第十二屆“挑戰(zhàn)杯”中國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽江西賽區(qū)二等獎。

作品所處階段

中試階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無

作品可展示的形式

1、實物、產(chǎn)品 2、圖片 3、樣品

使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

改性后的殼聚糖如羥丙基殼聚糖、羧甲基殼聚糖、殼聚糖季銨鹽能增強(qiáng)與金屬離子配位的能力，從而可以改善CS對金屬離子的吸附性能。為此，本作品首先從殼聚糖的改性出發(fā)，然后在此基礎(chǔ)上，將改性殼聚糖制成納米微粒以增大吸附的比表面積，并通過實驗研究在把殼聚糖基衍生物制備成納米微粒后所具有的吸附特性以及對工業(yè)電鍍鎳廢水中Ni2+的吸附性能，這將有助于在實際廢水治理中的應(yīng)用，為制備成具有耐酸和再生的新型綠色吸附劑奠定基礎(chǔ)，具有重要的理論意義和實用價值。

同類課題研究水平概述

殼聚糖是一種新型的天然高分子材料，它分子內(nèi)部含有羥基、氨基和糖苷鍵等多種活性官能團(tuán)，使它具有較強(qiáng)的與金屬離子配位的能力，由于金屬是不可降解污染物，因此在近十年內(nèi)殼聚糖逐步被人們重視并成為研究熱點。但是，作為吸附劑，不僅要求具有高的吸附能力，而且希望降低其溶解性，特別是增強(qiáng)其抗酸性。近些年來報道的改性殼聚糖雖然可以提高對重金屬離子的選擇吸附性能，但是往往有其本身的局限性，例如：改性殼聚糖吸附金屬離子后形成的螯合產(chǎn)物一般不能脫附金屬離子再生；一般改性后的殼聚糖衍生物抗酸性提高不明顯。諸多問題限制了殼聚糖作為吸附劑的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。納米吸附劑可使吸附活性位充分暴露，并且傳質(zhì)阻力小，因此對金屬離子有較高的吸附容量，并且可快速吸附金屬離子，吸附率高。鎳離子是工業(yè)廢水中產(chǎn)生的重金屬污染最嚴(yán)重的離子之一，目前研究殼聚糖對其吸附作用的報道較少，有關(guān)殼聚糖基納米微粒對Ni2+的吸附性研究更未見文獻(xiàn)報道。 改性后的殼聚糖如羥丙基殼聚糖、羧甲基殼聚糖、殼聚糖季胺鹽能增強(qiáng)與金屬離子配位的能力，從而可以改善CS對金屬離子的吸附性能。為此，本作品首先從殼聚糖的改性出發(fā)，然后在此基礎(chǔ)上，將改性殼聚糖制成納米微粒以增大吸附的比表面積，并通過實驗研究在把殼聚糖基衍生物制備成納米微粒后所具有的吸附特性以及對工業(yè)電鍍鎳廢水中Ni2+的吸附性能，這將有助于在實際廢水治理中的應(yīng)用，為制備成具有耐酸和再生的新型綠色吸附劑奠定基礎(chǔ)，具有重要的理論意義和實用價值。
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