多糖功能化铁基纳米材料的构建及对砷锑的去除研究

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砷和锑是环境中普遍存在的有毒重金属,迁移性强,存在形态复杂,对环境和人类健康具有极大危害。具有核壳结构的纳米零价铁(nanoscale zero-valent iron,n ZⅤI)因具有环境友好、成本低和去除效率高等优点,对砷和锑的去除展现出很好的应用前景。但由于其固有的磁性和范德华相互作用而具有强烈的团聚倾向,从而会降低其对砷和锑的去除效率。本文首先利用天然多糖壳聚糖(chitosan,CS)基于配位作用来对n ZⅤI进行改性,促进其分散性及壳层铁氧化物的充分老化,从而提高对砷和锑的去除效率;但是经CS修饰后的铁基纳米材料的回收处理仍然是一大难题。因此,本研究将改性后的铁基纳米材料负载到基质膜中,再涂覆海藻酸钠(sodium alginate,SA)层制备出纳米复合薄膜。并分别探究了该纳米复合材料和纳米复合薄膜对砷锑的去除性能和去除机理。具体如下:(1)首先以CS为配体对nZⅤI进行改性。利用CS上的氨基(-NH2)和羟基(-OH)与Fe2+络合提高其分散性,再加入硼氢化钠(Na BH4)将修饰后的Fe2+还原,得到CS功能化的铁基纳米材料。其中溶解氧的存在也会促进n ZⅤI壳层的老化,最终得到分散性好、比表面高、壳层充分老化的铁基纳米复合材料。所制备的CS/Fe纳米复合材料的比表面积最大为111.81 m~2·g-1,对As(Ⅲ)和Sb(Ⅲ)的最大吸附量可分别达到108.6和138.8 mg·g-1。同时,该纳米复合材料展现出高的选择性和循环性能,干扰离子如SO42-、CO32-、Si O32-、PO43-和腐殖酸(HA)对Sb(Ⅲ)的去除没有明显影响,而高浓度的Si O32-、PO43-和HA对As(Ⅲ)的去除有轻微抑制作用。此外,该纳米复合材料对As(Ⅲ)和Sb(Ⅲ)的去除几乎不受p H值和离子强度的影响。经过四次吸附循环后,对Sb(Ⅲ)和As(Ⅲ)的去除率仍能分别维持在85%和50%以上。CS/Fe纳米复合材料对As(Ⅲ)和Sb(Ⅲ)的高去除性能主要基于氢键作用和内层络合两者的协同作用来实现的。(2)为了提高CS/Fe纳米复合材料的实用性,将其加入到聚砜(polysulfone,PSF)基膜中,制备出混合基质膜(CIM膜)。再基于静电自组装在基膜表面涂覆一层SA致密薄层,制备出纳米复合薄膜(SA-CIM膜)。纳米负载量为20%的CIM膜对Sb有着较好的去除效果,对Sb(Ⅲ)和Sb(Ⅴ)的最大去除量能分别达到16.51和13.62 mg·g-1。SA-CIM膜对Sb有着很好的截留去除能力,尤其对低浓度的Sb截留率能达到将近80%。该纳米复合薄膜对锑的截留去除机理主要包括空间位阻、静电排斥和吸附三者的协同作用。
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