电纺制备壳聚糖接枝共聚物纤维膜及其改性与吸附性能研究

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近几十年,水体重金属污染事件频发,破坏生态环境并危害人体健康。因此如何去除水体重金属污染是人们的研究热点。目前工业上用于处理水体中重金属离子的方法有:沉淀法、电化学法、离子交换法和吸附法等,其中吸附法相对具有工艺简单、高效且环保的优势。静电纺丝技术可纺出纳米级直径的纤维,纤维的相互交错结构相对平铺膜,具有比表面积大、孔隙率高的优势,有利于提高对重金属离子的吸附作用。因此,电纺纤维材料在水体重金属离子处理方面极具研究潜力,具有重要的学术意义和社会应用价值。本研究的主要内容及结论如下:1、以壳聚糖(CS)和乙烯基单体丙烯酸(AA)为原料,过硫酸铵为引发剂,制备了壳聚糖与丙烯酸的接枝共聚物[CS-g-PAA(s)],采用静电纺丝技术将其制备出纤维结构的膜[CS-g-PAA(f)],考察了接枝率、电纺溶液的质量浓度和电纺电压对纤维形貌和直径分布的影响,通过扫描电镜对CS-g-PAA纤维膜进行表征,得出相对最佳纺丝条件为:CS-g-PAA接枝率为930.3%,电纺溶液的质量浓度为15%,施加的电压为11 kV。2、在模拟废水中考察了CS-g-PAA(s)、CS-g-PAA(f)和CS对废水中Cu2+、Cd2+的吸附实验,并进行吸附动力学模型推导。实验结果表明:CS-g-PAA(f)与CS-g-PAA(s)对Cu2+、Cd2+的饱和吸附容量相近,但更快达到吸附饱和状态,两者均比CS的吸附能力强,且对Cd2+的吸附好于对Cu2+的吸附。CS-g-PAA纤维膜对Cu2+和Cd2+离子的吸附容量分别为20.79和29.00mg·g-1,最佳吸附条件为pH=5,吸附时间3 h,吸附动力学符合准二级动力学模型,吸附过程主要为化学吸附。3、将光敏交联剂DAS与CS-g-PAA混合配制成电纺溶液,在最佳纺丝条件下电纺出混合纤维膜,然后将其置于紫外灯下照射,对纤维膜进行交联改性,并用红外光谱、扫描电镜、热重分析等手段对交联纤维膜进行表征。扫描电镜表明,加入DAS后电纺纤维的均匀度有所下降,直径分布范围扩大。红外和热重分析显示,实验已经在纤维膜中成功引入DAS,并发生了交联反应,交联后的纤维膜热稳定性强于未交联膜。4、研究了光交联改性纤维膜对Cu2+和Cd2+离子的吸附实验,考察了吸附时间、金属离子初始浓度、pH值对吸附性能的影响,并进行吸附动力学模型推导。实验结果显示,改性后纤维膜对Cu2+和Cd2+离子的吸附容量分别为21.34和31.07 mg·g-1,最佳吸附条件为pH=5,吸附时间3 h,吸附实验符合准二级动力学模型,吸附主要以化学吸附为主。
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