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重金属离子和有机污染物在人类的生产和生活中广泛存在。重金属离子污染物在环境中不仅不能被降解,反而能通过食物链在生物体内富集,并与生物体内的生物大分子如蛋白质、酶和核糖核酸等物质发生强烈相互作用而危害生物体健康;而有机污染物一旦进入水体,容易在悬浮物和底泥中累积,并在生物体内富集,从而对生态环境造成严重的危害。因此,有必要开发一种高效经济的有效吸附材料用于重金属离子和有机污染物的治理和去除。
碳纳米管(CNTs)具有中空的层状结构与良好的化学稳定性和热稳定性等优点,在处理环境污染物方面具有重要的应用前景。但由于CNTs的尺寸小,导致了CNTs分离困难,很难在实际应用中大规模应用。引入磁分离技术,制备出多壁碳纳米管/铁氧化物磁性复合材料(MWCNTs/Iron oxides),同时为了提高MWCNTs/Iron oxides对污染物的吸附性能,利用等离子体技术在MWCNTs/Iron oxides表面修饰上合适的官能团。等离子体技术可以直接将目标官能团修饰在吸附剂表面上而不会破坏吸附剂结构,并且在等离子体修饰过程待修饰目标官能团不需要通常化学方法所需的保护措施,具有高效、方便、环境友好、清洁无污染等优点。因此本论文采用宏观静态吸附法与微观表征(SEM、FT-IR和XPS等)技术相结合,研究等离子体诱导修饰环糊精对MWCNTs/Iron oxides吸附重金属离子污染物(Pb(Ⅱ)和Cu(Ⅱ))和有机污染物(1-萘酚和1-萘胺)的影响。主要成果如下:
(1)环糊精具有原料来源丰富、价格低廉、可再生、可完全生物降解和环境友好等优点。由于环糊精含有大量官能团,可以与环境水体中重金属离子形成强络合物,同时其空腔结构和有机污染物也有较强的络合作用,在MWCNTs/Iron oxides表面修饰环糊精(CD)后MWCNTs/Iron oxide/CD对重金属离子污染物(Pb(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)和有机污染物(1-萘酚和1-萘胺)的吸附能力显著提高。
(2)利用XRD,FT-IR,TGA,XPS等微观表征技术对MWCNTs/Iron oxide/CD进行详细的表征,结果表明等离子体技术可以将CD通过化学键结合在纳米磁性复合材料上。
(3)腐殖酸是环境中的天然有机物,对重金属离子在环境中的化学行为有重要的影响。本论文研究了富啡酸FA对MWCNTs/Iron oxide/CD去除重金属离子Cu(Ⅱ)效率的影响。结果表明在低pH条件下,FA促进Cu(Ⅱ)的吸附,而在高pH条件下,抑制Cu(Ⅱ)的吸附,同时Cu(Ⅱ)的去除效率随着FA浓度增加而增大。
(4)本论文考察了接触时间、pH值、吸附剂浓度、离子强度、温度等因素对MWCNTs/Iron oxide/CD吸附Pb(Ⅱ),Cu(Ⅱ),1-萘酚和1-萘胺的影响。结果表明Cu(Ⅱ)和1-萘胺在MWCNTs/Iron oxide/CD上的吸附速率服从准二级吸附动力学速率方程,金属离子Cu(Ⅱ)和有机污染物1-萘胺在MWCNTs/Iron oxide/CD上的吸附随温度升高而增大,热力学参数(△H0,△S0和△G0)的计算结果表明,Cu(Ⅱ)和1-萘胺在MWCNTs/Iron oxide/CD上的吸附是个吸热自发的过程。
(5)采用XPS技术对MWCNTs/Iron oxides和MWCNTs/Iron oxide/CD吸附Pb(Ⅱ)后的产物进行表征,结果表明,MWCNTs/Iron oxides和MWCNTs/Iron oxide/CD的含氧官能基团参与Pb(Ⅱ)的吸附作用,Pb(Ⅱ)主要以化学吸附的形式吸附在MWCNTs/Iron oxides和MWCNTs/Ironoxide/CD的近表面。
(6)在MWCNTs/Iron oxide/CD吸附Pb(Ⅱ)后可采用永久性磁铁或者磁场将其从废水中分离出来。MWCNTs/Iron oxide/CD的洗脱实验结果表明MWCNTs/Iron oxide/CD对Pb(Ⅱ)的处理具有很好的循环利用效果。
论文的创新点主要利用等离子体技术作为一种环境友好、无污染的材料表面功能化修饰的技术,在磁性复合材料MWCNTs/Iron oxides上接枝CD大分子,提高MWCNTs/Iron oxide/CD对重金属离子和有机污染物的吸附性能,研究MWCNTs/Iron oxide/CD的吸附机理,论文研究结果对于发展对环境污染物具有高效富集作用的新型吸附材料,用于环境污染物的检测和治理,具有重要的意义。