磺酸功能化蛋壳膜生物材料对染料及纳米微粒的吸附性能研究

【摘要】在过去的几十年中,随着人类社会的发展,各类化学物质如染料、重金属离子以及各种纳米微粒等许多未经过净化就被直接排放到环境当中,造成了严重的环境污染问题。各类污染物质通过与皮肤密切接触、食物链等途径进入人体内,从而对人体健康产生危害。生物吸附材料因其具有来源广泛、成本低廉、可生物降解、绿色环保以及不产生二次污染等突出优点广泛应用于环境污染物去除领域。本文通过利用蛋壳膜(ESM)制备出了磺酸功能化的生物蛋壳膜吸附材料(SESMs)。在实验中我们对SESMs材料的吸附性能进行了考察,探讨了溶液pH、温度、zeta电势等因素的影响,对于吸附动力学、等温线及热力学进行了拟合计算,并对SESMs材料的稳定性和重复使用性能进行了研究,此外,我们对相关的吸附机理也进行了探讨。首先我们充分利用了蛋壳膜表面固有的大量二硫键,通过巯基乙酸铵的还原和过氧化氢的氧化两步法制得了SESMso通过SEM、Raman、XPS和Zetapotential等手段对制得的材料进行了表征。研究发现,实验制备出的SESMs材料具有高度交联的大孔结构且表面富含磺酸基,在碱性条件下具有良好的去质子化能力,易与带有正电荷的物质产生强烈的静电吸引。随后,实验探究了SESMs材料对水中阳离子染料亚甲蓝(MB)的吸附去除性能,系统的对影响吸附的各种因素,例如样品溶液的pH、温度、吸附动力学、吸附等温线及热力学等进行了研究。发现SESMs材料对MB有良好的吸附去除效果,吸附更加符合准二级动力学模型,吸附等温线更加符合Langmuir等温方程。其中SESM-10吸附材料的理论最大吸附容量达到了476.19mgg-。并且,研究发现SESMs材料具有良好的稳定性和重复使用性,是一种去除废水中染料的高效绿色生物吸附材料。之后,我们将实验制备出的磺酸功能化的生物蛋壳膜吸附材料应用于对于水中AgNPs的吸附去除研究,并从多方面探讨了实验条件对于吸附效果的影响。实验中,我们利用SEM、TEM及zeta电势等手段对制得的银纳米微粒和吸附材料的性质进行了表征,系统的研究了溶液的pH值、离子强度、zeta电势和不同配体等对吸附过程的影响,并对SESMs材料吸附CTAB-AgNPs和HA-AgNPs的吸附动力学和等温线进行了拟合。研究发现SESMs吸附材料对两种目标纳米微粒的吸附更加符合准二级动力学模型,吸附等温线更加符合Langmuir等温方程。其中磺酸功能化后的蛋壳膜生物吸附材料SESM-2.5、SESM-5.SESM-10、SESM-20和SESM-30对于CTAB-AgNPs的理论最大吸附容量qmax(mgg-1)分别达到了89.29、100.00、119.05、106.38和104.17mgg-1；但对于HA-AgNPs的吸附效果不佳。对于两种目标纳米微粒的吸附效果不同主要是因为SESMs材料与目标纳米微粒表面的电荷存在差异,SESMs与带有正电荷的CTAB-AgNPs产生静电吸引,而与带有负电荷的HA-AgNPs则产生了静电排斥。除此之外,吸附效果也与目标纳米微粒稳定性的强弱、粒径大小及配体的性质等因素有关。最后,我们研究了SESMs材料对于水体中AuNPs吸附性能。考察了溶液的pH值、离子强度、腐殖酸浓度、配体种类等多种因素对于吸附过程的影响,并详细研究了SESMs材料吸附CTAB-AuNPs吸附动力学和等温线,发现SESMs吸附材料对CTAB-AuNPs的吸附更加符合准二级动力学模型,吸附等温线更加符合Langmuir等温方程。制得的磺酸功能化蛋壳膜生物吸附材料SESM-2.5、SESM-5、SESM-10、SESM-20和SESM-30对于CTAB-AuNPs的理论最大吸附容量qmax(mgg-1)分别达到了64.94、69.44、104.17、99.01和91.74mgg-1。并对吸附的机理进行了探讨。SESMs吸附材料因其具有高度交联的大孔结构、表面丰富的磺酸基团以及碱性条件下良好的去质子化能力,与带有正电荷的金纳米微粒产生了强烈的静电吸引。说明本实验合成出的磺酸功能化的生物蛋壳膜吸附材料是一种高效、绿色的生物吸附材料,对水体中的纳米微粒具有优良的去除效果。
【作者】邵剑波；
【导师】黄玉明；
【作者基本信息】西南大学，分析化学，2014，硕士
【关键词】生物吸附材料；磺酸功能化；蛋壳膜；染料；纳米微粒；

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