基本信息
- 项目名称：
- 壳聚糖基纳米微粒对Ni2+的吸附性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品以来源固废物虾蟹壳的壳聚糖为原料，合成了羟丙基壳聚糖、O-羧甲基壳聚糖、O-羧甲基壳聚糖季铵盐三种壳聚糖衍生物，并采用离子凝胶法制备成纳米微粒，探讨了pH、Ni2+起始浓度、纳米粒径、吸附剂用量、耐酸性能和解吸附性能等对三种壳聚糖基纳米微粒吸附Ni2+的影响，结果表明壳聚糖基纳米微粒具有许多优良特性，这将有助于在废水治理中的应用，为制备成具有耐酸和再生的新型绿色吸附剂奠定基础。
- 详细介绍：
- 以壳聚糖为原料，合成了三种壳聚糖衍生物，并通过离子凝胶法将其制备成纳米微粒，分别研究了它们对Ni2+的吸附性能。考察了pH、Ni2+起始离子浓度、吸附时间、纳米粒径、吸附剂用量等因素对纳米壳聚糖基吸附剂吸附Ni2+效果的影响，并比较了制备成纳米吸附剂前后对Ni2+的吸附性能的差异。然后通过XRD对吸附剂吸附Ni2+前后结构形态的变化进行了表征和分析。最后研究了三种壳聚糖基纳米吸附剂的耐酸性能和解吸附性能。结果发现纳米壳聚糖基吸附剂具有非常高的吸附容量，纳米吸附剂能表现出许多优良特性。主要结论如下： （1）将环氧丙烷与壳聚糖进行反应，制备了取代度为0.732的羟丙基壳聚糖。当HCS溶液的浓度在0.8～2.0 mg/mL范围，TPP的浓度在0.4～1.0mg/mL范围时均可以生成HCS纳米粒。初始HCS和TPP的浓度对纳米粒粒径有影响。HCS浓度从0.8 mg/mL增加到2.0 mg/mL，纳米粒粒径从150 nm左右增加到300 nm左右。TPP浓度从0.8 mg/mL增加到1.0 mg/mL，粒径减小了约50 nm。粒度分析结果表明其粒度分布比较窄，粒径主要分布在200～300nm；透射电镜观察显示该纳米粒呈球状，形状规整。HCS纳米粒对Ni2+吸附性能研究表明：HCS纳米粒吸附Ni2+的最适pH为6.0～7.0，此时吸附速率最快，仅需1h达到吸附平衡，吸附容量也最大。粒径较小的纳米微粒对Ni2+的吸附量要大于粒径较大的吸附量，这表明比面积越大，裸露在表面的官能团就能更充分的和Ni2+发生络合作用，与金属离子的配位作用点也就越多，从而吸附量越大。XRD显示HCS纳米粒能较HCS吸附更多的Ni2+，且吸附得更加牢固，并对形成的新晶形HCS-Ni(Ⅱ)有显著贡献。对Ni2+的解吸附实验表明：脱附能力H2SO4> HCl> HNO3>EDTA；使用H2SO4，脱附时间只需0.5h便能达到85%以上的脱附率，而且重现性较好。 （2）将壳聚糖与氯乙酸反应制备了取代度为0.712的O-羧甲基壳聚糖。当O-CMCS溶液的浓度为0.4～1.6mg/mL，TPP的浓度为0.1mg/mL或O-CMCS溶液的浓度为1.0 mg/mL，TPP的浓度为0.1～0.4 mg/mL时均可以生成O-CMCS纳米粒。粒度分析表明其粒径主要分布在370～710nm；透射电镜观察显示该纳米粒呈球状，形状规整。O-CMCS纳米粒对Ni2+的吸附研究表明：pH为8时，最有利于O-CMCS纳米粒对Ni2+溶液的吸附，吸附达到平衡的时间为0.5 h，此时吸附容量最大。O-CMCS纳米粒对一定溶度的Ni2+溶液具有很大的吸附率，即对Ni2+的去除率显著高于用HCS纳米粒。取代度越高，粒径越小，越有利于吸附。XRD分析显示O-CMCS纳米粒能较O-CMCS吸附更多的Ni2+，且吸附得更加牢固，并对形成的新晶形O-CMCS-Ni(Ⅱ)有显著贡献。通过对O-CMCS纳米粒脱附研究，发现四种脱附剂的脱附能力H2SO4＞HCl＞HNO3＞EDTA，结果显示H2SO4是一种很好的脱附剂，能在 0.5 h 内将吸附在O-CMCS纳米粒表面上的Ni2+脱去90%以上。 （3）以3－氯－2－羟丙基三甲基氯化铵为季铵阳离子化试剂和制备的取代度为0.712的O-CMCS进行反应，合成了季铵盐取代度为0.563的O-羧甲基壳聚糖季铵盐。当O-CMHACC浓度为0.4～2.5mg/mL，TPP浓度为0.4～1.0 mg/mL时，或TPP浓度为1.5 mg/mL，O-CMHACC浓度为0.8～1.5 mg/mL时均可生成O-CMHACC纳米粒。粒度分析表明粒径主要分布在400～900nm。O-CMHACC纳米粒的吸附研究表明：pH为8时，最有利于O-CMHACC纳米粒对Ni2+溶液的吸附，吸附达到平衡的时间为1h。粒径较小的O-CMHACC纳米粒与金属离子的配位作用点更多，从而吸附容量更大。XRD分析结果表明：Ni2+在O-CMHACC中的吸附、配位可以渗透进O-CMHACC的晶区，并使其晶区结构发生变化，O-CMHACC纳米粒较O-CMHACC能吸附更多的Ni2+，渗透进O-CMHACC晶区的Ni2+也更多。对O-CMHACC及其纳米粒脱附研究发现：H2SO4、HNO3、HCl、EDTA四种脱附剂的脱附能力为HCl＞H2SO4＞HNO3＞EDTA，吸附剂O-CMHACC的脱附效率较高，制备成纳米粒后还得到了一定提高，脱附速度也更快，这与纳米吸附剂比表面积大所表现出的特性有关。 （4）在质量相同、粒径相同、取代度近似的条件下，对比三种纳米吸附剂对Ni2+的吸附性能发现：O-CMCS纳米粒吸附性能明显优于HCS纳米粒，而二次改性后的产物O-CMHACC纳米粒对Ni2+的吸附性能只较O-CMCS纳米粒略有提高，不过耐酸性却得到了明显提高。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 含重金属镍废水是一种危害较大的工业废水，它主要来自于矿产工业、有色冶金工业、金属加工、电镀、仪器仪表及各种应用镍化合物的企业。镍对人体和环境都有很大的危害性，如何从工业废水中除去有毒的重金属离子特别是Ni2+成为了关注的热点。壳聚糖属多糖类聚合物，其原料来源主要为海产品加工废料，因此成本较低，并且壳聚糖具有生物可降解性，属环保型吸附剂。壳聚糖具有良好的螯合吸附性能，可有效的去除工业废水中的重金属，但是壳聚糖耐酸性差、改性壳聚糖吸附量低等，这些问题限制了壳聚糖作为吸附剂的进一步推广应用。为此，本作品以当今前沿研究的热点纳米材料为思路，保留改性壳聚糖吸附性能优越之处，通过把其制备成壳聚糖基纳米吸附剂以提高其吸附容量和增加吸附剂的某些纳米材料特性。作品以壳聚糖为原料，合成了三种壳聚糖衍生物，并通过离子凝胶法将其制备成新型的纳米壳聚糖基微粒后用作吸附Ni2+，结果表明纳米壳聚糖基吸附剂具有非常高的吸附容量，纳米吸附剂能表现出许多优良特性。
科学性、先进性
- 重金属离子废水还是主要工业污染源之一, 由于其不能被常规手段分解和破坏,故被称为“永久性污染物”。传统的重金属离子的处理方法有化学沉淀、电解、离子交换、活性炭吸附、氧化还原法及溶剂萃取分离法等。但多数成本较高，或操作复杂，后处理不易。吸附是从工业废水中去除重金属离子最为广泛采用的方法，目前已开发的吸附剂主要有活性炭、合成树脂、生物吸附剂如甲壳素、壳聚糖、环糊精、淀粉等。吸附是人们所熟知的平衡过程，是廉价高效的分离工艺，广泛用于去除水体中的重金属和有机污染物、贵金属和稀有金属的分离富集、以及化学分析领域。 壳聚糖属多糖类聚合物，其原料来源主要为海产品加工废料，因此成本较低，并且壳聚糖具有生物可降解性，属环保型吸附剂。壳聚糖基吸附剂可通过物理或化学作用吸附金属离子、染料和有机分子。利用壳聚糖吸附分离或富集金属离子，具有经济有效、工艺简单、易于操作的优点，是处理工业废水中重金属污染的有效途径。因此，开发壳聚糖基吸附剂，特别是壳聚糖基纳米吸附剂具有一定的工业实际应用价值。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年5月荣获第十二届“挑战杯”中国大学生课外学术科技作品竞赛江西赛区二等奖。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 1、实物、产品 2、图片 3、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 改性后的壳聚糖如羟丙基壳聚糖、羧甲基壳聚糖、壳聚糖季铵盐能增强与金属离子配位的能力，从而可以改善CS对金属离子的吸附性能。为此，本作品首先从壳聚糖的改性出发，然后在此基础上，将改性壳聚糖制成纳米微粒以增大吸附的比表面积，并通过实验研究在把壳聚糖基衍生物制备成纳米微粒后所具有的吸附特性以及对工业电镀镍废水中Ni2+的吸附性能，这将有助于在实际废水治理中的应用，为制备成具有耐酸和再生的新型绿色吸附剂奠定基础，具有重要的理论意义和实用价值。
同类课题研究水平概述
- 壳聚糖是一种新型的天然高分子材料，它分子内部含有羟基、氨基和糖苷键等多种活性官能团，使它具有较强的与金属离子配位的能力，由于金属是不可降解污染物，因此在近十年内壳聚糖逐步被人们重视并成为研究热点。但是，作为吸附剂，不仅要求具有高的吸附能力，而且希望降低其溶解性，特别是增强其抗酸性。近些年来报道的改性壳聚糖虽然可以提高对重金属离子的选择吸附性能，但是往往有其本身的局限性，例如：改性壳聚糖吸附金属离子后形成的螯合产物一般不能脱附金属离子再生；一般改性后的壳聚糖衍生物抗酸性提高不明显。诸多问题限制了壳聚糖作为吸附剂的进一步推广应用。纳米吸附剂可使吸附活性位充分暴露，并且传质阻力小，因此对金属离子有较高的吸附容量，并且可快速吸附金属离子，吸附率高。镍离子是工业废水中产生的重金属污染最严重的离子之一，目前研究壳聚糖对其吸附作用的报道较少，有关壳聚糖基纳米微粒对Ni2+的吸附性研究更未见文献报道。 改性后的壳聚糖如羟丙基壳聚糖、羧甲基壳聚糖、壳聚糖季胺盐能增强与金属离子配位的能力，从而可以改善CS对金属离子的吸附性能。为此，本作品首先从壳聚糖的改性出发，然后在此基础上，将改性壳聚糖制成纳米微粒以增大吸附的比表面积，并通过实验研究在把壳聚糖基衍生物制备成纳米微粒后所具有的吸附特性以及对工业电镀镍废水中Ni2+的吸附性能，这将有助于在实际废水治理中的应用，为制备成具有耐酸和再生的新型绿色吸附剂奠定基础，具有重要的理论意义和实用价值。
