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本文制备了高分子聚合物为基体的大孔螯合树脂和有序介孔二氧化硅为载体的有机-无机杂化介孔材料两类螯合吸附剂,对吸附剂结构进行了鉴定和表征,并对其硼吸附性能进行了详细研究。主要内容如下:
(1)采用悬浮聚合法制备具有不同组成和孔结构的甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)与三甲基丙烯酸三羟甲基丙烷酯(TRIM)的交联共聚物。元素分析、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)和固体核磁共振(NMR)分析结果表明,共聚合反应完全,共聚物孔结构符合要求。扫描电镜、N2吸附及压汞法表征证明共聚物具有大孔结构,且随着GMA含量增加,比表面降低,孔容增加,孔径增大。
(2)用甲基葡萄糖胺将共聚物功能化改性得到低溶胀度大孔硼特效螯合树脂。通过FT-IR和NMR确定了树脂的化学结构。对树脂功能基含量及硼吸附量的检测表明,共聚物GMA含量为85.4mol%时,所制备的螯合树脂功能基含量及硼吸附量最大,共聚物的化学组成和孔结构决定了树脂的性能。
(3)采用静态吸附法对螯合树脂的硼吸附性能进行了系统研究。实验结果表明,溶液中硼初始浓度和pH值影响树脂对硼的吸附。树脂的吸附热力学研究表明,30~60℃的吸附等温线符合Langmuir方程和Freundlich方程,树脂吸附硼的△G、△H和△S均小于0,吸附为放热过程,硼在树脂上的吸附为自发过程。吸附动力学研究显示,树脂对硼的吸附速度快,属于粒内扩散控制。
(4)螯合树脂的固定床吸附实验表明,床层空速和硼初始浓度影响硼穿透曲线,树脂经10次连续吸附-脱附-再生后硼吸附量的下降小于10%,树脂对盐湖卤水中的硼具有高选择性,1mol/L盐酸可将硼从树脂上有效脱附,脱附率大于97%。
(5)制备出高质量的MCM-41微球和不同形貌、结构的SBA-15吸附剂载体。以正硅酸乙酯为硅源,通过调控KCl与三甲苯的比例,协同模板剂P123(EO20PO70EO20)的作用,在静态环境中可自组装制备单分散大孔(>20nm)SBA-15微球(3-5μm)。
(6)通过两步后接枝法将葡萄糖接枝到SBA-15和MCM-41上制备了有机-无机杂化介孔材料。对材料进行小角X射线衍射(XRD)、FT-IR、N2吸附-脱附、NMR和透射电镜(TEM)表征,结果表明接枝反应成功进行,但由于有机功能团的存在而使材料有序性变差,比表面及孔容下降,孔径变小。材料的功能基检测结果表明,第一步改性反应很成功,但氨基与葡萄糖的第二步改性反应不完全。
(7)介孔吸附材料的孔道大小影响功能基接枝率及硼吸附量,孔径大的SBA-15接枝率为39%,硼吸附量为0.63mmol/g,而孔径小的MCM-41的接枝率和硼吸附量仅分别为20%和0.25mmol/g。二者的吸附等温线均符合Langmuir方程,对卤水中的硼同样具有高选择性。