螯合载锆凝胶的制备及其配体交换吸附除氟性能与机理-应用化学专业毕业论文.docx

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摘 要
氟是维持人体正常生理功能不可缺少的微量元素之一。适量的摄入可以预防龋齿; 但是摄入的量过高则会导致氟中毒,出现氟斑牙、骨膜增生、骨硬化,甚至引发癌症。人体摄入氟的主要途径之一是饮用高氟水。在我国,高氟地下水分布广泛,且工业生产过程存在氟污染,易出现氟中毒事件。因此,保障饮用水安全是一项紧迫的任务。
目前,常用的除氟方法有吸附法、混凝沉降法、电凝聚法、电渗析法、反渗透法等。但上述方法均具有缺陷,不适合实际应用。寻找一种操作简单、费用低廉、效果显著的除氟材料及工艺具有重要意义。
本研究的主要思路为以聚丙烯酰胺凝胶为骨架,通过接枝固载两种螯合基团(二乙烯三胺,DETA;三乙烯四胺,TETA),接枝螯合基团螯合锆构成配位中心,获得除氟材料。利用锆与氟配位的化学性质,螯合载锆凝胶上的锆与水中的氟发生配位体交换作用,把氟离子固定在螯合载锆凝胶上,通过固液分离将其除去,实现深度除氟。除氟后的螯合载锆凝胶利用洗脱剂将其吸附的氟离子洗脱下来,再经过简单的处理,可再生重复使用。
本研究的主要内容和结论如下:
:依据 Mannich 反应,以自制多孔聚丙烯酰胺凝胶为骨架材料,通过甲醛连接,将聚丙烯酰胺凝胶分别接枝 DETA 和 TETA,获得 DETA 接枝凝胶和 TETA 接枝凝胶。实验考察了物料比、pH、温度、时间对接枝反应的影响。制备 DETA 接枝凝胶的最佳反应条件是物料比为 1:3:4,pH 为 9,温度为 50℃,两段反应时间均为 2 h; 制备 TETA 接枝凝胶的最佳反应条件是物料比为 1::,pH 为 11,温度为 50℃,两段反应时间皆为 2 h。在放大后的最佳接枝条件下,DETA 接枝凝胶的胺化度为 %, TETA 接枝凝胶的胺化度为 %。将两种螯合基团接枝凝胶分别浸渍在锆溶液中,螯合载锆,获得 DETA 载锆凝胶和 TETA 载锆凝胶。实验考察了 pH、时间、温度、锆浓度、固液比对载锆的影响。制备 DETA 载锆凝胶的最佳反应条件是 pH 为 5,反应时间为 3 h,温度为 45℃,锆浓度为 4 g/L,固液比为 g/mL;制备 DETA 载锆凝胶的最佳反应条件是 pH 为 5,反应时间为 3 h,温度为 45℃,锆浓度为 8 g/L,固液比为 g/mL。在放大后的最佳载锆条件下,DETA 载锆凝胶的锆含量为 mg/g,TETA 载锆凝胶的锆含量为 mg/g。
:将两种螯合载锆凝胶用于除氟,检测其除氟性
能。DETA 载锆凝胶在室温,pH 为 6,震荡速度为 120 次/min,吸附时间为 180 min 时,
能以固液比为 g/mL 除去 10 mg/L 的氟溶液中 %的氟离子。TETA 载锆凝胶在室温,pH 为 6,震荡速度为 120 次/min,吸附时间为 120 min 时,能以固液比为 g/mL 除去 10 mg/L 的氟溶液中 %的氟离子。两种载锆凝胶均适于处理偏酸性的含氟水。 SO42-、H2PO4-、CO32-对 DETA 载锆凝胶的除氟效果有影响;对于 TETA 载锆凝胶,只有 CO32-对除氟效果有影响。除氟后的螯合载锆凝胶可再生重复使用。
:螯合载锆凝胶吸附氟可用准二级吸附速率方程和 Langmuir 等温吸附模型描述。DETA 载锆凝胶吸附氟放热,但是 TETA 载锆凝胶吸附氟吸热。DETA 载锆凝胶和 TETA 载锆凝胶对氟的最大吸附量分别为 、 mg/g,反应的表观活化能依次为 、 kJ/mol,焓变分别为-、 kJ/mol。
本材料采用吸附法除氟,除氟操作简便、原料价格低廉、除氟效果理想,是一种具有实用前景的除氟材料