纳米杂化二氧化硅的制备及其在水处理中的应用

论文摘要

持久性有机污染物（Persistent Organic Pollutants,POPs）和重金属离子是水源水体中的威胁人类健康的两类致命污染物。二氧化硅吸附材料常用于吸附水体中的持久性有机污染物和重金属离子,但是,目前二氧化硅吸附材料仍有吸附去除率低、平衡时间长、热稳定性差等缺点。因此,设计新型功能化二氧化硅杂化材料并探索其在水处理中的应用是一个非常重要的研究课题。本文提出了三种简单、灵活、有效制备功能二氧化硅杂化材料的方法并探索其在水处理领域中的应用。为了解决二氧化硅吸附材料吸附去除率低、平衡时间长的问题,设计并合成出螯合型二乙酸氨丙基修饰的介孔二氧化硅杂化材料,考察了pH值、温度、吸附时间和初始浓度对介孔二氧化硅吸附性能的影响,探讨了杂化介孔二氧化硅对Pb2+的吸附热力学和动力学特性。结果表明,经螯合配体修饰的杂化介孔二氧化硅对水中Pb2+的吸附展现了良好的性能。吸附效率最高可达到99.4%,具有吸附快、吸附去除率高的特点。二乙酸氨丙基介孔二氧化硅对水中Pb2+的吸附符合Langmuir吸附等温方程,吸附过程符合准二级动力学方程。为了避免二氧化硅纳米粉体吸附剂固液难分离的问题,设计并制备出易分离回收的二氧化硅纳米杂化纤维膜。将溶胶-凝胶法和静电纺丝技术相结合,首先合成了巯基功能化的聚丙烯腈@二氧化硅核壳纳米纤维膜,再通过二甲基甲酰胺处理,得到巯基功能化的壳带状杂化纤维膜。巯基功能二氧化硅杂化纤维膜可以用来吸附水中的重金属离子。此外还使用溴丙基三氯硅烷对二氧化硅纳米纤维进行修饰制备了溴丙基修饰的二氧化硅纳米杂化纤维膜。由于溴丙基三氯硅烷过度生长导致在二氧化硅纤维表面形成一些纳米粒子。由于杂化纤维膜具有较高的比表面积、大量的孔道及溴丙基疏水的表面,故其对微量持久性有机污染物狄氏剂的去除率可达91%以上。生物体所含的脂质可以对脂溶性物质有效富集。单纯的二氧化硅粒子不具备吸附去除POPs的功能,为了解决此问题,从仿生学角度出发,通过对疏水性有机污染物在生物脂肪组织中的富集过程研究模拟,合成复合脂质材料,并通过溶胶-凝胶和自组装过程,将脂质双层和二氧化硅结合形成杂化粒子,并利用它捕获去除水中的POPs。这一方法是通过将含有硅氧烷的脂质在水中超声分散,利用疏水的脂质双链将疏水的POPs捕获到它所形成的含脂质双层中。为了解决此杂化粒子吸附剂固液分离难的问题,还探索了含脂质双层的二氧化硅磁性杂化粒子去除POPs的方法。结果表明,含脂质双层的二氧化硅磁性粒子对狄氏剂有良好的去除能力,因此它是一个潜在的高效去除微量持久性有机污染物的吸附材料,是仿生学在污染控制应用中的一种新的探索。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米二氧化硅杂化材料
• 1.1.1 杂化材料
• 1.1.2 介孔二氧化硅杂化材料
• 1.1.3 含脂质双层的杂化二氧化硅粒子
• 1.1.4 二氧化硅杂化纤维
• 1.2 重金属污染和持久性有机污染物
• 1.2.1 重金属污染
• 1.2.2 持久性有机污染物
• 1.3 选题意义和主要研究内容
• 第2章 实验材料与方法
• 2.1 实验试剂及仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 主要的分析测试方法
• 2.2.1 X射线粉末衍射
• 2.2.2 扫描电子显微镜
• 2.2.3 透射电子显微镜
• 2.2.4 傅里叶变换红外光谱
• 2.2.5 紫外可见分光光度计
• 2.2.6 比表面积及孔测试
• 2.2.7 热重-差热分析
• 2.2.8 元素分析
• 2.2.9 粒度分布
• 2.2.10 核磁共振分析
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 螯合型介孔二氧化硅吸附铅离子
• 2.3.2 聚丙烯腈纳米纤维膜的制备
• 2.3.3 壳带状二氧化硅杂化纤维膜的制备
• 2.3.4 巯基二氧化硅纤维吸附的研究
• 2.3.5 二氧化硅纳米纤维的改性
• 2.3.6 含硅氧烷复合脂质的合成
• 2.3.7 油酸修饰的磁性纳米粒子的制备
• 2.3.8 二氧化硅杂化粒子去除狄氏剂的研究
• 2.3.9 生物絮凝剂沉降杂化粒子的研究
• 第3章 螯合型介孔二氧化硅去除重金属离子的研究
• 3.1 引言
• 3.2 螯合型介孔二氧化硅的表征
• 3.2.1 介孔二氧化硅的形貌
• 3.2.2 比表面积和孔径变化
• 3.2.3 介孔二氧化硅组分变化
• 3.2.4 修饰前后亲水性的研究
• 3.2.5 配体负载量的研究
• 3.2.6 元素分析结果
• 3.3 螯合型介孔二氧化硅吸附铅离子
• 3.3.1 pH值对铅离子吸附性能的影响
• 3.3.2 吸附时间对吸附性能的影响
• 3.3.3 温度对铅离子吸附性能的影响
• 3.3.4 初始浓度对吸附的影响
• 3.3.5 表面基团流失的研究
• 3.3.6 对铜离子吸附性能的研究
• 3.4 吸附模型拟合
• 3.5 本章小结
• 第4章 二氧化硅纤维膜去除水中污染物的研究
• 4.1 引言
• 4.2 壳带状二氧化硅纤维膜吸附重金属离子的研究
• 4.2.1 纤维膜的形成机理
• 4.2.2 纤维膜的结构分析
• 4.2.3 纤维膜的热稳定性
• 4.2.4 纤维膜吸附重金属离子的研究
• 4.3 溴丙基二氧化硅杂化纤维膜吸附狄氏剂的研究
• 4.3.1 纤维膜的表征
• 4.3.2 纤维膜的结构分析
• 4.3.3 纤维膜的亲水性研究
• 4.3.4 纤维膜表面纳米颗粒的形成机理
• 4.3.5 纤维膜吸附狄氏剂的研究
• 4.3.6 吸附模型拟合
• 4.4 本章小结
• 第5章 含脂质双层二氧化硅粒子去除狄氏剂的研究
• 5.1 引言
• 5.2 含脂质双层的二氧化硅粒子去除狄氏剂
• 5.2.1 杂化粒子的形态
• 5.2.2 杂化粒子的结构
• 5.2.3 狄氏剂起始浓度对去除率的影响
• 5.2.4 脂质剂量对去除率的影响
• 5.2.5 温度对去除率的影响
• 5.2.6 pH值和盐离子对去除率的影响
• 5.3 生物絮凝剂沉降杂化粒子的研究
• 5.3.1 温度对絮凝法去除率的影响
• 5.3.2 不同方法去除狄氏剂的对比
• 5.4 磁性杂化粒子去除狄氏剂的研究
• 5.4.1 磁性杂化粒子的制备
• 5.4.2 磁性杂化粒子的形态
• 5.4.3 磁性杂化粒子的红外光谱表征
• 5.4.4 脂质剂量对去除率的影响
• 5.4.5 温度对去除率的影响
• 5.4.6 狄氏剂起始浓度去除率的影响
• 5.4.7 不同方法去除狄氏剂的对比
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
• 致谢
• 个人简历