壳聚糖基吸附材料的设计合成及吸附机理研究

In the present project, a new procedure for synthesis of chitosan-based hydrogel adsorbents is proposed via amine groups protection-graft by plasma-deprotection. The graft copolymerization of vinyl monome onto hydroxyl groups of chitosan induced by glow-discharge-electrolysis plasma is carried out in aqueous solution. By conrtolled the following parameters, such as discharge voltage, discharge time, mass ratio of chitosan to monome, and content of crosslinker, we can design and prepare chitosan-based functional polymers. The mechanism of induced polymerization is discussed, and the effect of synthesis conditions on the structure and the properties of the polymer hydrogel are defined. The relationship between the structure of controllable polymer hydrogel and the property of adsorption heavy metal ions is clarified. The structure and properties of chitosan-based hydrogel adsorbents prepared are also studied. The adsorption mechanisms of heavy metal ions on chitosan based hydrogels are discussed using adsorption theory and instrument characterization. In addition, selectivity and reusability of adsorbents are also investigated. All those results suggest that glow-discharge-electrolysis plasma may provide a novel method for prepared chitosan-based hydrogel adsorbents. Furthermore, it will provide a new idea to select the absorbent for high concentrations of heavy metal ions wastewater treatment

本项目提出“保护氨基-等离子体引发接枝-脱保护”的合成路线，采用新型的电化学引发技术在水溶液中将双键单体定位接枝到壳聚糖的羟基上。通过控制放电时间、放电电压、单体质量比、交联剂含量等因素设计合成具有不同网络结构和功能化的壳聚糖基水凝胶吸附剂。探讨引发合成的机理，明确合成条件对壳聚糖凝胶的结构与性能的影响,阐明可控高分子凝胶的结构与重金属离子吸附性能之间的关系规律，用吸附理论和仪器表征相结合法揭示壳聚糖凝胶对重金属离子的吸附机理。此外，还研究凝胶对重金属离子的吸附选择性和重复利用性。以期为壳聚糖接枝共聚水凝胶的引发制备和高浓度重金属离子废水处理中吸附剂的选择提供新方法和新思路。

除去水体中的重金属离子对于保护有限的水资源、防止水污染具有重要的意义。本项目以壳聚糖(CS)、聚乙二醇和烯键单体为原料，N,N'-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，在水溶液中利用辉光放电电解等离子体(GDEP)技术一步引发制备壳聚糖基凝胶，并将其用于废水中重金属离子的去除研究。用发射光谱测定了GDEP产生的活性粒子，结合仪器表征分析了GDEP引发聚合的机理。采用FT-IR、XRD、TG/DTG和SEM对凝胶的结构和形貌进行表征，考察了溶液pH、吸附时间和初始浓度等对重金属吸附的影响，同时结合XPS探讨了可能的吸附机理。另外，还研究了凝胶对重金属离子的吸附选择性、重复利用性和解吸动力学行为。结果表明，GDEP引发制备壳聚糖基吸附剂的机理为自由基引发的链加成反应；单体成功接枝到壳聚糖链上，制备得到的凝胶呈现多孔的三维网络结构；凝胶对重金属的吸附符合Langmuir吸附等温式和准二级动力学模型，重金属离子在壳聚糖基凝胶上的吸附是由离子交换、配位螯合等共同作用的复杂的物理化学过程；吸附量较大的原因可能是GDEP产生的HO•加成到聚合物链中所致。在含有Pb2+、Cd2+、Co2+、Cu2+的混合溶液中，壳聚糖基凝胶对重金属离子特别是Pb2+具有吸附选择性，用等物质的量浓度下比较吸附剂对某一离子的选择性，得到的结果更可靠。在Cu2+、Co2+和Ni2+的混合溶液中，壳聚糖基凝胶对Cu2+的选择性吸附可以用Irving-Williams序列解释。解吸率不能很好地评价吸附剂的优劣，只有通过多次吸附量、解吸量的大小比较来说明材料的重复利用性能才更有意义。用EDTN-4Na做解吸液时，吸附剂具有很好的再生和重复利用性，解吸动力学符合准二级模型。GDEP引发制备壳聚糖基吸附剂具有无需添加任何化学引发剂、无二次污染、绿色环保、反应条件温和、操作简单等优点。因而GDEP引发聚合是一种环境友好型的绿色引发合成技术，合成的壳聚糖基凝胶具有吸附量大、吸附选择性高、再生和重复利用性好等优先，在重金属废水净化、重金属离子的富集、分离和回收方面具有广阔的应用前景。