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作者：

龚斌

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摘要：

聚苯乙烯(PS)以其原料丰富、价格低廉、等优势在高分子材料领域占有重要地位,在医学、生物、食品、环保、水处理、航天航空等领域具有广泛应用。本文以苯乙烯为原料,采用分散聚合法、乳液聚合法分别制备微米级和纳米级PS微球,通过浓硫酸进行磺化改性,分别制备了微米级磺化聚苯乙烯(Micro-SPS)微球和纳米级磺化聚苯乙烯(Nano-SPS)微球;对SPS微球吸附重金属动力学的进行了系统研究研究;并考察了SPS微球吸附重金属脱附、重复利用性能,将其应用于应用水和多肽溶液中重金属的快速分离。本课题主要工作及研究结果如下:(1)微米级SPS微球的制备。以苯乙烯为单体,聚乙烯吡咯烷酮为分散剂,偶氮二异丁腈为引发剂,以无水乙醇为分散介质,采用分散聚合法制备微米级PS微球。微米级PS微球平均粒径大小为1.21μm,在40℃、反应48 h、料液比(PS微球:浓硫酸)为1:40 g/m L条件下进行磺酸化改性,改性后得到的SPS微球平均粒径大小为1.37μm,磺化度为0.533±0.01 mmol/g,比表面积大小为1.60 m~2/g。引入大量磺酸基团后的SPS微球具有良好的亲水性。(2)纳米级SPS微球的制备。以苯乙烯为单体,过硫酸钾为引发剂,十二烷基硫酸钠为乳化剂,碳酸钠为缓冲剂,水为分散介质,采用乳液聚合法制备纳米级PS微球。纳米级PS微球平均粒径大小为125 nm,在室温、反应3 h、料液比(PS微球:浓硫酸)为1:40 g/mL条件下进行磺酸化改性后,改性后得到的纳米级SPS微球,平均粒径大小为132 nm,磺化度为1.16±0.02 mmol/g,比表面积大小为14.2 m~2/g。成功引入大量磺酸基团后,极大的增强了聚苯乙烯微球的亲水性。(3)SPS微球吸附重金属的动力学研究。SPS微球分别吸附重金属Pb~(2+)、Zn~(2+)、Cu~(2+),吸附行为属于准二级吸附动力学,热力学符合Langmuir模型。微米级SPS微球对Pb~(2+)、Zn~(2+)、Cu~(2+)最大吸附量为47.51 mg/g、15.29 mg/g、13.74 mg/g,纳米SPS微球对Pb~(2+)、Zn~(2+)、Cu~(2+)的最大吸附量为83.61 mg/g,24.99 mg/g、19.38 mg/g。(4)SPS微球吸附重金属的性能研究。通过比较活性炭、石墨烯、α-Fe_2O_3、γ-Fe_2O_3、大孔离子交换树脂、SPS微球对重金属的吸附性能,结果表明无论是吸附效率还是吸附速率,SPS微球均表现最好。其中又以纳米级SPS微球效果优于微米级SPS微球,在浓度为10 mg/L时,纳米SPS微球可在1min内达到吸附平衡并将Pb~(2+)浓度降至6 ppb,去除率高达99.83%,并且处理后的Pb~(2+)浓度可分别达到中国、美国、欧盟、世界卫生组织对饮用水的要求标准。经过性能稳定性测试,SPS微球循环使用4次后,性能及形貌均能保持不变,吸附重金属后经1 mol/LHNO_3溶液洗脱1 min便可达到完全脱附。多肽液中的K~+、Na~+、Cu~(2+)、Zn~(2+)、Pb~(2+)、Ca~(2+)、Fe~(3+)、Ni~(2+)、Co~(2+)多种重金属离子经过SPS微球处理后,各重金属离子浓度显著降低,多肽含量不变,其中纳米SPS微球处理后的各金属离子的浓度水平可达到中国、美国、欧盟生活饮水用中的浓度标准。

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关键词：

分散聚合法；乳液聚合法；磺化聚苯乙烯微球；重金属离子；快速吸附

学位级别：

硕士

DOI：

CNKI:CDMD:2.1018.872776