上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源（论文资料）陆地仿生_贻贝仿生功能化材料制备及其吸附性能研究.pdf_大学文库

摘要摘要现今人类的生产、生活活动等都会产生大量含有重金属离子及有机染料的废水，这些废水由于某些原因未经过处理或者经处理后未达到排放标准便排放到自然水体中，导致水体严重污染，这不仅会破坏人类赖以生存的生态环境，而且会对社会公众健康生活等造成严重影响。因此，探究与发现能够有效去除水环境中重金属离子、有机染料的处理技术与方法备受世界各国研究者们的极大关注。吸附法凭借其高效性以及易操作性，成为治理重金属及有机染料废水的非常有效和极具发展前景的重要方法之一，受到了各界研究者的关注。碳质纳米材料（例如：碳纳米管、石墨烯基材料）由于其独特的结构、巨大的比表面积以及大量的细微孔隙被广泛用作吸附剂去除各种环境污染物。然而，由于未改性的碳质纳米材料本身可分散性差、缺少有效官能团，其对重金属离子、有机染料的吸附能力仍然有限。因此，在利用纳米材料独特结构基础上合成吸附量大，去除效率高，吸附速率快，易于分离，制备简单的聚合物基新型复合吸附材料十分必要。本文通过结合贻贝仿生化学和迈克尔加成反应，成功制备出新型功能化碳纳米管材料、改性氧化石墨烯材料，并运用透射电镜(Transmission Electron Microscope,.TEM)、傅里叶红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy,.FT-IR)、热重分析(Thermogravimetric Analysis,TGA)、X射线光电子能谱分析(X-ray Photoelectron Spectroscopy,.XPS)等手段对合成的新型材料进行物理化学性质表征。在系统的吸附实验中，探讨了不同的实验条件对聚合物基改性纳米材料吸附去除水环境中铜离子、阳离子染料亚甲基蓝效果的影响，总结得出改性纳米材料吸附铜离子及亚甲基蓝的最佳条件和最大吸附量。运用不同的吸附等温线模型、动力学模型及热力学模型对吸附平衡状态进行分析，研究吸附过程的性质等行为。本论文的主要研究结果如下： (1)改性材料CNTs-PDA-PEI对于水溶液中铜离子(Cu2+)的平衡吸附量可达到34.6mgg。随着pH值的逐渐升高，CNTs-PDA-PEI吸附容量逐渐升高至 47.4mgg,当pH>10后，吸附量没有明显变化。该种吸附很好的遵循Langmuir 模型以及准一级动力学模型。万方数据

摘要 I 摘要现今人类的生产、生活活动等都会产生大量含有重金属离子及有机染料的废水，这些废水由于某些原因未经过处理或者经处理后未达到排放标准便排放到自然水体中，导致水体严重污染，这不仅会破坏人类赖以生存的生态环境，而且会对社会公众健康生活等造成严重影响。因此，探究与发现能够有效去除水环境中重金属离子、有机染料的处理技术与方法备受世界各国研究者们的极大关注。吸附法凭借其高效性以及易操作性，成为治理重金属及有机染料废水的非常有效和极具发展前景的重要方法之一，受到了各界研究者的关注。碳质纳米材料（例如：碳纳米管、石墨烯基材料）由于其独特的结构、巨大的比表面积以及大量的细微孔隙被广泛用作吸附剂去除各种环境污染物。然而，由于未改性的碳质纳米材料本身可分散性差、缺少有效官能团，其对重金属离子、有机染料的吸附能力仍然有限。因此，在利用纳米材料独特结构基础上合成吸附量大，去除效率高，吸附速率快，易于分离，制备简单的聚合物基新型复合吸附材料十分必要。本文通过结合贻贝仿生化学和迈克尔加成反应，成功制备出新型功能化碳纳米管材料、改性氧化石墨烯材料，并运用透射电镜（Transmission Electron Microscope,TEM ）、傅里叶红外光谱（ Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FT-IR）、热重分析（Thermogravimetric Analysis,TGA）、X 射线光电子能谱分析（X-ray Photoelectron Spectroscopy,XPS）等手段对合成的新型材料进行物理化学性质表征。在系统的吸附实验中，探讨了不同的实验条件对聚合物基改性纳米材料吸附去除水环境中铜离子、阳离子染料亚甲基蓝效果的影响，总结得出改性纳米材料吸附铜离子及亚甲基蓝的最佳条件和最大吸附量。运用不同的吸附等温线模型、动力学模型及热力学模型对吸附平衡状态进行分析，研究吸附过程的性质等行为。本论文的主要研究结果如下：（1）改性材料 CNTs-PDA-PEI 对于水溶液中铜离子（Cu 2+）的平衡吸附量可达到 34.6 mg/g。随着 pH 值的逐渐升高，CNTs-PDA-PEI 吸附容量逐渐升高至 47.4mg/g，当 pH＞10 后，吸附量没有明显变化。该种吸附很好的遵循 Langmuir 模型以及准一级动力学模型。万方数据

ABSTRACT ABSTRACT Accompanying with the development of human society,a mass of industrial and domestic wastewater contained various heavy metal ions and organic dyes have been emitted into the environment before untreated or treated without perfection,which caused the seriously polluted for the water system.These pollutions not only have destroyed the entironment of human survival,but also been harmful for the public health.Therefore,the exploration of advanced techniques and methods for removal these heavy metal ions and organic dyes existed in wastewater has attracted numerous attentions from scientists in the world.As one kind of treatment strategies,adsorption method has become a high-efficiency and promising method for the removal of heavy metal ions due to its high efficiency and handleability,which make it draw attentions from researchers in various fields. Carbon-based materials such as carbon nanotubes (CNTs),activated carbons (ACs)and graphene powder(GP)have widely used as adsorbents to remove these pollutants(heavy metal ions and organic dyes)due to their outstanding properties such as unique structure,large specific surface area and abundant pores on their surface. However,the original CNTs possess bad water dispersibility and limited groups on their surface,which certainly influence their adsorbability for those pollutants. Therefore,preparation of polymer-CNTs composites with remarkable advantages contained excellent adsorbability,easy separation and convenient production in large scale is urgent. In this work,we have successfully synthesized functional CNTs and graphene oxide sheets with polymers via combination of mussel inspired chemistry and Michael addition reaction.The measurements such as Transmission Electron Microscope (TEM),Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), Thermogravimetric Analysis(TGA)and X-ray Photoelectron Spectroscopy(XPS)are applied to characterize these polymer-CNTs and GO-polymer composites.Under the static adsorption model,we discuss the adsorption capacity of polymer modified CNTs and GO composites for copper ion and organic cationic dye methylene blue in Ⅲ 万方数据

ABSTRACT III ABSTRACT Accompanying with the development of human society, a mass of industrial and domestic wastewater contained various heavy metal ions and organic dyes have been emitted into the environment before untreated or treated without perfection, which caused the seriously polluted for the water system. These pollutions not only have destroyed the entironment of human survival, but also been harmful for the public health. Therefore, the exploration of advanced techniques and methods for removal these heavy metal ions and organic dyes existed in wastewater has attracted numerous attentions from scientists in the world. As one kind of treatment strategies, adsorption method has become a high-efficiency and promising method for the removal of heavy metal ions due to its high efficiency and handleability, which make it draw attentions from researchers in various fields. Carbon-based materials such as carbon nanotubes (CNTs), activated carbons (ACs)and graphene powder (GP)have widely used as adsorbents to remove these pollutants (heavy metal ions and organic dyes)due to their outstanding properties such as unique structure,large specific surface area and abundant pores on their surface. However, the original CNTs possess bad water dispersibility and limited groups on their surface, which certainly influence their adsorbability for those pollutants. Therefore, preparation of polymer-CNTs composites with remarkable advantages contained excellent adsorbability, easy separation and convenient production in large scale is urgent. In this work, we have successfully synthesized functional CNTs and graphene oxide sheets with polymers via combination of mussel inspired chemistry and Michael addition reaction. The measurements such as Transmission Electron Microscope (TEM), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), Thermogravimetric Analysis (TGA)and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) are applied to characterize these polymer-CNTs and GO-polymer composites. Under the static adsorption model, we discuss the adsorption capacity of polymer modified CNTs and GO composites for copper ion and organic cationic dye methylene blue in 万方数据

目录 V 目录摘要 ............................................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................................III 目录 ..............................................................................................................................V 第 1 章绪论 ...................................................................................................................1 1.1 废水中重金属和有机染料危害.....................................................................1 1.1.1 重金属废水危害 ..................................................................................1 1.1.2 有机染料废水危害 ..............................................................................2 1.2 吸附法处理废水基本原理.............................................................................2 1.3 纳米复合材料.................................................................................................3 1.3.1 纳米复合材料简介 ..............................................................................3 1.3.2 碳纳米管概述 ......................................................................................3 1.3.3 氧化石墨烯概述 ..................................................................................4 1.4 贻贝仿生概述.................................................................................................6 1.4.1 贻贝仿生功能化 ..................................................................................6 1.4.2 多巴胺的自聚 ......................................................................................7 1.4.3PDA 的应用 ..........................................................................................7 1.5 研究课题简介.................................................................................................8 1.5.1 研究的目的和意义 ..............................................................................8 1.5.2 研究内容 ..............................................................................................8 第 2 章改性碳纳米管材料的制备及其对水溶液中 CU 2+的吸附性能研究.............10 2.1 前言...............................................................................................................10 2.2 实验部分.......................................................................................................11 2.2.1 实验试剂与仪器 ................................................................................11 2.2.2CNTs-PDA-PEI 的制备 ......................................................................11 2.2.3CNTs-PDA-PEI 对于水溶液中 Cu2+的吸附实验..............................12 2.3 结果与讨论...................................................................................................13 万方数据

目录 VI 2.3.1 材料表征 ............................................................................................13 2.3.2 时间的影响 ........................................................................................14 2.3.3pH 的影响 ...........................................................................................15 2.3.4 温度的影响及热力学研究 ................................................................16 2.3.5 吸附等温线 ........................................................................................18 2.3.6 吸附动力学 ........................................................................................19 2.4 本章小结.......................................................................................................21 第 3 章改性碳纳米管材料的制备及其对水溶液中有机染料的吸附性能研究 .....22 3.1 前言...............................................................................................................22 3.2 实验部分.......................................................................................................22 3.2.1 实验试剂与仪器 ................................................................................22 3.2.2CNTs-PDA-PSPSH 的制备.................................................................23 3.2.3CNTs-PDA-PSPSH 对于水溶液中 MB 的吸附实验 ........................24 3.3 结果与讨论...................................................................................................25 3.3.1 材料表征 ............................................................................................25 3.3.2 时间的影响 ........................................................................................28 3.3.3pH 的影响 ...........................................................................................29 3.3.4 温度的影响及热力学研究 ................................................................30 3.3.5 吸附等温线 ........................................................................................31 3.3.6 吸附动力学 ........................................................................................32 3.4 本章小结.......................................................................................................33 第 4 章改性氧化石墨烯材料制备及其对水溶液中有机染料的吸附性能研究 .....34 4.1 前言...............................................................................................................34 4.2 实验部分.......................................................................................................35 4.2.1 实验试剂与仪器 ................................................................................35 4.2.2GO-PDA-PSPSH 的制备....................................................................36 4.2.3GO-PDA-PSPSH 对于水溶液中 MB 的吸附实验............................37 4.3 结果与讨论...................................................................................................38 4.3.1 材料表征 ............................................................................................38 万方数据

第1章绪论第1章绪论 1.1废水中重金属和有机染料危害 1.1.1重金属废水危害随着如今公众对于环境保护的意识不断增强，对于与人类生活息息相关的水体环境的保护同样是不容忽视的一部分。海洋、河流等地表水作为多种工业企业排污的收纳水体，由于一些工业废水的不达标排放，水体会受到不同程度的污染。例如机械加工、矿山开采、钢铁及金属治炼等工业会产生大量的重金属废水，其中包括汞(Hg)四、铅(Pb)I、铬(Cr),以及具有重金属特性的类金属砷(As)4等生物毒性显著的重金属元素，其他工业有时也会排放包含铜(Cu)、锌(Zn)[、钴(Co)可、镍(Ni)8等一般重金属的废水，尽管其中有些是人体健康所必需的微量元素，但经过长期在体内蓄积，超过一定限度，同样会显现出致病毒性。因此，对于重金属废水经治理达标后再排放十分有必要[9,10。在工业废水的排放过程中，重金属不能被生物降解，有相当一部分重金属元素沉积在天然水体中，由于其在环境中存在的复杂性，因此一直是各专家学者研究的不衰的课题-)。铜质（铜离子）对人类及其他生物而言，都是必不可少的元素。人体缺乏铜会引起贫血，毛发异常，骨和动脉异常，以至脑障碍4,1。但如过剩，会引起肝硬化、腹泻、呕吐、运动障碍和知觉神经障碍618]。中国营养学会没有制定每日膳食中铜的需要量，但制定了每日铜的“安全和适宜的摄入量”，半岁前婴儿每天需0.5~0.7mg,半岁至1岁每天0.7~1.0mg, 1岁以上每天1.0~1.5mg,4岁以上每天1.5~2.0mg,7岁以上每天2.0~2.5mg, 11岁以上至青年、成年，均为每天2.0~3.0mg。这个摄入量与美国科学研究委员会制定的“估计每日饮食中安全充足的铜摄取量”相当19,201。铜在人体内含量约100~150mg,血清铜正常值100~120μgdl,是人体中含量位居第二的必需微量元素。如摄入过量的铜，就会刺激消化系统，引起腹痛、呕吐212]。对于低等生物和农作物而言，铜的毒性较大，当铜的摄入量达到0.1gL左右时，可使大量鱼类致死，因此水产业用水一般要求铜的浓度需在0.01gL以万方数据

第 1 章绪论 1 第 1 章绪论 1.1 废水中重金属和有机染料危害 1.1.1 重金属废水危害随着如今公众对于环境保护的意识不断增强，对于与人类生活息息相关的水体环境的保护同样是不容忽视的一部分。海洋、河流等地表水作为多种工业企业排污的收纳水体，由于一些工业废水的不达标排放，水体会受到不同程度的污染。例如机械加工、矿山开采、钢铁及金属冶炼等工业会产生大量的重金属废水，其中包括汞（Hg）[1]、铅（Pb）[2]、铬（Cr）[3]，以及具有重金属特性的类金属砷（As）[4]等生物毒性显著的重金属元素，其他工业有时也会排放包含铜（Cu）[5]、锌（Zn）[6]、钴（Co）[7]、镍（Ni）[8]等一般重金属的废水，尽管其中有些是人体健康所必需的微量元素，但经过长期在体内蓄积，超过一定限度，同样会显现出致病毒性。因此，对于重金属废水经治理达标后再排放十分有必要[9, 10]。在工业废水的排放过程中，重金属不能被生物降解，有相当一部分重金属元素沉积在天然水体中，由于其在环境中存在的复杂性，因此一直是各专家学者研究的不衰的课题[11-13]。铜质（铜离子）对人类及其他生物而言，都是必不可少的元素。人体缺乏铜会引起贫血，毛发异常，骨和动脉异常，以至脑障碍[14, 15]。但如过剩，会引起肝硬化、腹泻、呕吐、运动障碍和知觉神经障碍[16-18]。中国营养学会没有制定每日膳食中铜的需要量，但制定了每日铜的“安全和适宜的摄入量”，半岁前婴儿每天需 0.5～0.7mg，半岁至 1 岁每天 0.7～1.0 mg， 1岁以上每天1.0～1.5 mg，4岁以上每天1.5～2.0 mg，7岁以上每天2.0～2.5 mg， 11 岁以上至青年、成年，均为每天 2.0～3.0 mg。这个摄入量与美国科学研究委员会制定的“估计每日饮食中安全充足的铜摄取量”相当[19, 20]。铜在人体内含量约 100～150mg，血清铜正常值 100～120μg/dl，是人体中含量位居第二的必需微量元素。如摄入过量的铜，就会刺激消化系统，引起腹痛、呕吐[21-23]。对于低等生物和农作物而言，铜的毒性较大，当铜的摄入量达到 0.1mg/L 左右时，可使大量鱼类致死，因此水产业用水一般要求铜的浓度需在 0.01 mg/L 以万方数据