生物分子模板仿生合成功能材料及其性能研究

论文摘要

现代工业生产过程中会产生大量的工业废水,其中重金属废水和染料废水排放量较大,而且都具有很强的毒性,如果不采用适当的方法进行处理,会给自然环境甚至是人体健康带来很大的危害。因此,重金属废水和染料废水的治理就显得很重要。本文以生物分子为模板,分别制备了二氧化硅微球、二氧化硅杂化微球、片状β-MnO2和Pb2+印迹杂化膜,并对其吸附或催化性能进行了研究。以胱氨酸为模板,仿生合成二氧化硅微球。利用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、热重分析仪（TGA）、傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）以及X-射线衍射仪（XRD）对产物进行表征。FE-SEM、FT-IR表征结果显示Si02微球的形成过程为：在胱氨酸的模板分子作用下TEOS水解生成含有大量-NH2和-Si-OH的Si02杂化微球,该Si02杂化微球经600℃煅烧得到Si02微球；TGA表征结果显示Si02微球具有良好的热稳定性；XRD表征结果表明Si02微球为无定型结构。依据表征结果,进一步对二氧化硅微球的形成机理进行了探讨。以二氧化硅杂化微球为吸附剂,对其吸附Pb2+的行为进行了研究。分别考察了pH、吸附时间、Pb2+初始浓度以及温度对吸附的影响,利用响应面实验设计方法对pH、Pb2+初始浓度和温度三个条件进行了优化。结果显示,吸附动力学符合准二级动力学方程；吸附等温线试验结果用Langmuir吸附等温模型拟合效果优于Freundlich吸附等温模型；pH、Pb2+初始浓度和温度三个条件的最佳组合为pH4.2、Pb2+初始浓度86.7mg/L、温度60℃,在此条件下二氧化硅杂化微球对Pb2+的理论吸附率为88.2%。以L-酪氨酸为模板,仿生合成片状β-MnO2。对片状β-MnO2催化甲基橙氧化降解性能进行了研究,分别考察了反应时间、片状β-MnO2添加量、H202添加量、甲基橙初始浓度和pH对甲基橙氧化降解的影响,利用响应面实验设计方法对β-MnO2添加量、甲基橙初始浓度和pH三个条件进行了优化。结果显示β-MnO2添加量、甲基橙初始浓度和pH最佳组合为Mn02添加量25.2mg、甲基橙初始浓度9.1mg/L、pH4.0,在此条件下,甲基橙理论脱色率为96.93%。以壳聚糖为模板,制备了Pb2+印迹杂化膜。利用X-射线光电子能谱仪对Pb2+印迹杂化膜,通过竞争吸附试验研究了Pb2+印迹杂化膜对Pb2+的选择吸附性能。结果显示Pb2+印迹杂化膜对Pb2+的吸附能力高于对Cu2+和Zn2+的吸附能力,说明制备的Pb2+印迹杂化膜可以对Pb2+进行选择性吸附；XPS表征结果显示,Pb2+印迹杂化膜制备过程中Pb2+与-NH2结合在一起。对Pb2+印迹杂化膜选择性吸附Pb2+的机理进行了探讨。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 生物矿化与仿生合成
• 1.1.1 生物矿化与仿生合成简介
• 1.1.2 生物矿物简介
• 1.1.3 仿生合成的指导意义
• 1.2 生物分子模板在仿生合成中的应用
• 1.2.1 微生物细胞模板在仿生合成中的应用
• 1.2.2 蛋白质模板在仿生合成中的应用
• 1.2.3 多糖模板在仿生合成中的应用
• 1.2.4 氨基酸模板在仿生合成中的应用
• 1.3 仿生合成材料常用的表征手段
• 1.3.1 扫描电镜
• 1.3.2 透射电镜
• 1.3.3 红外光谱
• 1.3.4 X-射线粉末衍射
• 1.4 仿生合成材料的应用
• 1.4.1 在医用材料上的应用
• 1.4.2 在石质文物保护上的应用
• 1.4.3 作为载体的应用
• 1.4.4 在工业废水处理中的应用
• 1.5 本课题的研究意义及主要内容
• 第2章 胱氨酸模板下二氧化硅微球的仿生合成及其表征
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 主要仪器
• 2.1.2 主要试剂
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 二氧化硅微球的仿生合成
• 2.2.2 产物的表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 二氧化硅微球表征
• 2微球的形成机理探讨'>2.3.2 SiO₂微球的形成机理探讨
• 2.4 本章小结
• 2+吸附行为的研究'>第3章 二氧化硅杂化微球对水溶液中Pb²⁺吸附行为的研究
• 3.1 实验材料
• 3.1.1 主要仪器
• 3.1.2 主要试剂
• 3.2 试验方法
• 3.2.1 吸附试验
• 3.2.2 吸附条件的优化
• 3.3 结果与讨论
• 2+标准曲线的绘制'>3.3.1 Pb²⁺标准曲线的绘制
• 2+溶液初始pH对吸附的影响'>3.3.2 Pb²⁺溶液初始pH对吸附的影响
• 3.3.3 吸附动力学试验
• 3.3.4 吸附等温线研究
• 3.3.5 RSM法对吸附条件的优化
• 3.4 本章小结
• 2的仿生合成及其催化性能研究'>第4章 L-酪氨酸模板下片状β-MnO₂的仿生合成及其催化性能研究
• 4.1 实验材料
• 4.1.1 主要仪器
• 4.1.2 主要试剂
• 4.2 试验方法
• 2的仿生合成'>4.2.1 片状β-MnO₂的仿生合成
• 4.2.2 产物的表征
• 4.2.3 催化性能
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 产物表征结果
• 4.3.2 催化性能
• 4.4 本章小结
• 2+印迹杂化膜的合成及其吸附性能'>第5章 壳聚糖模板下Pb²⁺印迹杂化膜的合成及其吸附性能
• 5.1 实验材料
• 5.1.1 主要仪器
• 5.1.2 主要试剂
• 5.2 试验方法
• 2+印迹杂化膜的制备'>5.2.1 Pb²⁺印迹杂化膜的制备
• 5.2.2 选择性吸附试验
• 5.2.3 表征手段及分析方法
• 5.3 结果与讨论
• 2·3H₂O添加量的选择'>5.3.1 LIHF制备过程中Pb（Ac）₂·3H₂O添加量的选择
• 5.3.2 选择性吸附试验
• 5.3.3 XPS表征结果
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 致谢