载带DETA-DTPA螯合基团的聚醚砜分离膜吸附镍离子的研究

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电镀和化学镀镍生产工序中产生的含镍废水如果未经适当的处理而直接排放势必对环境造成严重的污染。由于生产工艺所需,在镀镍废水中常常存在大量有机酸络合剂,形成镍络合物,这严重影响了镍离子的处理效果,另外多种离子共存也将干扰镍离子处置效果。膜处理技术处理重金属废水早有报道,其应用备受推崇。聚醚砜(PES)由于其优良的化学、机械性能,是一种颇受关注的制膜材料。本课题针对镀镍废水的特点,制备了一种载有多乙烯胺和多氨基羧酸官能基团的PES分离膜,继而开展了改性PES功能分离膜对镀镍废水的处置研究。本研究以PES、氯乙酰氯、二乙烯三胺和二乙烯三胺五乙酸为主要化学试剂,采用化学接枝/相转移制膜技术,实现了多乙烯胺和多氨基羧酸官能基团的同时载入,制得改性PES功能螯合分离膜。分析了PES功能分离膜吸附捕集Ni(Ⅱ)的作用机制,实现了镀镍废水中Ni(Ⅱ)的有效去除。采用正交实验对分离膜的制备工艺进行优化,确定了最佳分离膜制备工艺。采用扫描电镜、X射线能谱分析、傅立叶变换红外光谱等技术表征了螯合膜的形貌、化学构成和官能基团,通过接触角的测定分析了螯合膜的亲水性能。开展了溶液pH值、溶液温度、时间和金属离子初始浓度、膜堆厚度、进水流量以及共存阳离子、共存阴离子、三元合金镀金属离子和共存有机酸对膜吸附Ni(Ⅱ)性能的影响的探究,并对其再生利用性能进行了评价。同时深入分析探究了其吸附Ni(Ⅱ)的热力学和动力学特质,解析了各模型参数和热力学函数,揭示了其吸附特性。实验结果表明:多氨基羧酸官能基团被成功接枝到聚醚砜分子链上,其性能稳定,制备的螯合膜具有优异的物理化学特性,且其亲水性能得到了提升。改性PES功能分离膜对Ni(Ⅱ)具有优异的吸附性能,其吸附最佳pH为6.0,吸附平衡时间为3 h。三种阳离子对其吸附Ni(Ⅱ)过程的影响次序为Na+<NH4+<Ca2+,三种阴离子影响次序为Cl-<SO42-<H2PO4-,三元合金镀金属离子影响顺序为Zn(II)<Fe(III)<Cu(II),三种有机酸对吸附Ni(Ⅱ)过程的影响次序则为乳酸<甘氨酸<柠檬酸;Ni(Ⅱ)吸附的动力学和吸附等温模型分别符合准二级动力学方程和Langmuir等温模型;并且BDST模型可以用于描述改性PES功能螯合分离膜吸附Ni(Ⅱ)的吸附穿透过程;热力学参数ΔG0<0、ΔH0<0、ΔS0>0,说明了改性PES功能螯合分离膜对Ni(Ⅱ)的吸附是自发进行的,并且是一个放热过程,吸附后其混乱度增加。另外,该分离膜具有较佳的再生利用性能。本研究应用密度泛函理论,开展了化学势(μ)、电负性(χ)、亲电指数(ω)以及电荷转移数(ΔN)等化学活性参数的计算研究,从分子水平上初步探究了螯合官能团的载入聚醚砜分子链的机制,继而为功能分离膜的设计提供了理论依据。
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