CTSSiO2复合材料对甲基橙溶液脱色研究毕业设计

CTSSiO2复合材料对甲基橙溶液脱色研究毕业设计壳聚糖/二氧化硅复合材料对甲基橙溶液脱色的研究学生：**教师：关键词：CTS；SiO2；复合微球；甲基橙；脱色CTS/SiO2compositematerialsdecolorizationofmethylorangesolutionStudent:Supervisor:Abstract：ByphasetransferthePreparationCTS/SiO2compositemicrospheres,andexploretheratioofCTSandSiO2compositemicrospheres,aswellasCTS/SiO2compositemicrospheresofmethylorangesolutionconcentration,theamountofdifferenttemperatureconditions,suchasunderthedecolorizationofmethylorangesolutionperformance.Theresultsshowthat:thecompositemicrosphereswiththesystem,thedecreaseofinitialconcentrationofmethylorangedecolorizationofmethylorangesolution,ambienttemperatureincrease,aswellastheamountofcompositemicrospheresincreases,andcross-linkingtreatmentmicrospherescanenhancethecolorremoval;compositemicrospheres,theCTSandSiO2ratioonthedecolorizationefficiency,determinedbyexperiment:CTSandSiO2bestmassratioof25/15decolorization.Keywords：CTS；SiO2；Compositemicrospheres；Methylorange；Decolorization前言目前我国的印染废水污染日益严重，印染废水的处理成为人们普遍关注的问题。这类废水浓度高、色泽深、难降解、成分复杂。脱色是印染废水治理首先要解决的问题。脱色可分为物化法和生化法，吸附法属于物化法的一种,在废水处理中应用非常广泛。吸附法通常采用多孔性固相物质如活性炭、树脂、天然矿物、废弃物等作为吸附剂。但由于活性炭、树脂价格昂贵,使用成本高，且天然矿物、废弃物容易造成二次污染。所以开发高效、廉价、来源广泛、再生容易的吸附剂是目前研究的热点。治理染料废水行之有效的途径是先通过物理化学方法将其进行预处理脱色，然后通过后续生化处理,达到综合治理的目的吸附是深度处理印染废水行之有效的方法之一。作为染料废水预处理的物理化学处理是十分关键的步骤，其中应用最多的是吸附法。生物吸附技术相对于其他常用技术具有吸附剂价廉易得、吸附量大、选择性好、操作条件范围宽、可回收再利用等优点。美国、日本等发达国家已经研究利用壳聚糖作为絮凝剂进行污染废水的净化。壳聚糖作为絮凝剂,，分子结构中含有大量的自由氨基和羟基，不但有高效絮凝的作用，而且具有无毒副作用、易降解等优点。近年来作为一种新型的有机染料吸附剂成为人们研究和开发的热点。CTS是由氨基葡萄糖单元通过糖苷键连接而成的线性天然高分子化合物,具有良好的吸附性能。而且壳聚糖是甲壳素的脱乙酰化产物，甲壳素广泛存在于虾、蟹等甲壳动物中的生物多聚物，每年生成量近100亿吨,储量仅次于纤维素。据统计,在我国仅虾壳废弃物产生量最低可达86万t/a,若不进行后续处理和资源化必将造成很大的环境污染和资源浪费。但CTS膜易溶于酸性溶液的特性限制了其在环境保护中的应用，所以通过化学交联和物理处理以提高CTS材料的抗水性能。通过对CTS进行化学改性，可生成一系列衍生物，CTS的衍生物对染料具有良好的吸附能力，主要吸附机理是离子交换、氢键作用和聚合物内部网状结构所形成的物理吸附。目前关于CTS及其衍生物吸附有机染料方面已经进行了大量的研究，并取得了一定的成果。SiO2是一种高活性吸附材料，不溶于水和任何溶剂，无毒无味，化学性质稳定等优点。它的结构非常像一个海绵体，由互相连通的小孔构成一个有巨大的表面积的毛细孔吸附系统，具有一定的吸附性能。本课题采用相转移法制备CTS/SiO2复合微球，并研究在不同的甲基橙浓度、不同CTS/SiO2配比、不同的环境温度等实验条件下，CTS/SiO2复合微球对甲基橙溶液的脱色效果。1绪论1.1二氧化硅结构与性质1.1.1二氧化硅的结构二氧化硅化学式为：SiO2。在SiO2晶体中，1个硅原子和4个氧原子形成4个共价键，每个硅原子周围结合4个氧原子；同时，每个氧原子跟2个硅原子相结合。实际上，SiO2晶体是由硅原子和氧原子按1:2的比例所组成的立体网状的晶体。（1）二氧化硅晶体中最小环为12元环SiO2晶体中Si原子的排列方式和金刚石晶体中碳原子的排列方式是相同的。在金刚石晶体中，每个最小环上有6个碳原子，因此SiO2晶体中每个最小环上有6个Si原子，另外六边形的每条边上都夹入了一个氧原子，所以最小环为12元环。（2）每个硅原子被12个最小环共有每个硅原子周围有四条边，而每条边又被6个环所共有，同时由于每个环上有两条边是同一个硅原子周围的，因此还要除以2以剔除重复。所以最终计算式为（4*6）/2=12（3）每个最小环平均拥有1个氧原子由于每个硅原子被12个环共有，因此每个环只占有该硅原子的1/12，又因为每个最小环上有6个硅原子，所以每个最小环平均拥有的硅原子数为：6*（1/12）=0.5个。又因为SiO2晶体是由硅原子和氧原子按1:2的比例所组成，因此氧原子的数目为0.5*2=1。1.1.2二氧化硅的性质（1）SiO2的物理性质二氧化硅又称硅石，化学式SiO。自然界中存在有结晶二氧化硅和无定形二氧化硅两种。结晶二氧化硅因晶体结构不同，分为石英、鳞石英和方石英三种。纯石英为无色晶体，大而透明棱柱状的石英叫水晶。若含有微量杂质的水晶带有不同颜色，有紫水晶、茶晶、墨晶等。普通的砂是细小的石英晶体，有黄砂(较多的铁杂质)和白砂(杂质少、较纯净)。二氧化硅晶体中，硅原子的4个价电子与4个氧原子形成4个共价键，硅原子位于正四面体的中心，4个氧原子位于正四面体的4个顶角上，SiO₂是表示组成的最简式，仅是表示二氧化硅晶体中硅和氧的原子个数之比。二氧化硅是原子晶体。SiO₂中Si—O键的键能很高，熔点、沸点较高（熔点1723℃，沸点2230℃）。自然界存在的硅藻土是无定形二氧化硅，是低等水生植物硅藻的遗体，为白色固体或粉末状，多孔、质轻、松软的固体，吸附性强。（2）SiO2的化学性质SiO2化学性质比较稳定。不溶于水也不跟水反应。是酸性氧化物，不跟一般酸反应。气态氟化氢跟二氧化硅反应生成气态四氟化硅。跟热的浓强碱溶液或熔化的碱反应生成硅酸盐和水。跟多种金属氧化物在高温下反应生成硅酸盐。用于制造石英玻璃、光学仪器、化学器皿、普通玻璃、耐火材料、光导纤维，陶瓷等。二氧化硅的性质不活泼，它不与除氟、氟化氢以外的卤素、卤化氢以及硫酸、硝酸、高氯酸作用（热浓磷酸除外）。常见的浓磷酸（或者说焦磷酸）在高温下即可腐蚀二氧化硅，生成杂多酸[2]，高温下熔融硼酸盐或者硼酐亦可腐蚀二氧化硅，鉴于此性质，硼酸盐可以用于陶瓷烧制中的助熔剂，除此之外氟化氢也可以可使二氧化硅溶解的酸，生成易溶于水的氟硅酸1.2二氧化硅的应用二氧化硅是制造玻璃、石英玻璃、水玻璃、光导纤维、电子工业的重要部件、光学仪器、工艺品和耐火材料的原料，是科学研究的重要材料。1.2.1二氧化硅在日常材料的应用SiO2是陶瓷及耐火材料瓷器的胚料和釉料，窑炉用高硅砖、普通硅砖以及碳化硅等的原料；是混凝土、胶凝材料、筑路材料、人造大理石、水泥物理性能检验材料（即水泥标准砂）等。1.2.2二氧化硅在机械与化工中的应用二氧化硅是铸造型砂的主要原料，用于研磨材料（喷砂、硬研磨纸、砂纸、砂布等）。在化工方面二氧化硅是硅化合物和水玻璃等的原料，硫酸塔的填充物，且无定形二氧化硅可作为吸附剂来使用.1.3壳聚糖（CTS）壳聚糖(CTS)是由自然界广泛存在的几丁质(chitin)经过脱乙酰作用得到的，化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖，自1859年，法国人Rouget首先得到壳聚糖后，这种天然高分子的生物官能性和相容性、血液相容性、安全性、微生物降解性等优良性能被各行各业广泛关注，在医药、食品、化工、化妆品、水处理、金属提取及回收、生化和生物医学工程等诸多领域的应用研究取得了重大进展。1.3.1CTS的制备CTS在自然界中通常以甲壳素的形式存在。甲壳素又名蟹壳素、壳蛋白、壳多糖,是许多低等动物特别是节肢动物（如昆虫类、甲虫类）外壳的重要成分,也存在于低等植物(如真菌、藻类)的细胞壁中。它是由生物合成再提取的天然产物，有良好的生物相容性，可被生物降解。甲壳素是白色或灰白色、半透明、片状固体，其不溶性限制了应用范围，所以大多加工成壳聚糖使用。CTS的制备方法主要是从虾蟹壳中提取，虾蟹壳的主要成分是碳酸钙、蛋白质和甲壳素(20％左右)，此种生产CTS的简要流程如图1-3所示：图1-1壳聚糖的生产流程目前国内外利用虾蟹壳制备CTS的方法包括酸碱法、酶法、氧化降解法及机械加工法。其中最常用的方法是酸碱法，但此法仍存在许多问题，如酸碱性过强、降解速度慢、降解产物聚合度低、产物纯化难、生产成本高等。一般情况下，影响脱乙酰化程度的主要因素是原料的种类(晶型)，甲壳素的制备方法，甲壳素颗粒的大小和密度，碱液的浓度，反应的气氛，温度和时间等。衡量CTS产品性能的主要指标是脱乙酰化度和分子量(或黏度)等。一般提高反应温度，碱液浓度和延长反应时间均可提高脱乙酰化度，但会伴随甲壳素主链的降解，影响分子量。酶法制备CTS是利用专一性酶对甲壳素进行脱乙酰基反应。此法的关键是如何获得甲壳素脱乙酰酶。1.4CTS的结构与性质1.4.1CTS的结构CTS是甲壳素N-脱乙酰基的产物，一般而言，N一乙酰基脱去55%以上的就可称之为壳聚糖，或者说，能在1%乙酸或1%盐酸中溶解1%的脱乙酰甲壳素，这种脱乙酰甲壳素被称之为壳聚糖。其别名“壳多糖”、“脱乙酰甲壳素”、“脱乙酰甲壳质”化学名为β-(1→4)-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖，其结构式如图1-4所示：图1-2壳聚糖结构式1.4.2CTS的性质纯甲壳素和纯CTS都是一种白色或灰白色半透明的片状或粉状固体，无味、无臭、无毒性，纯CTS略带珍珠光泽（1）CTS理化特性CTS是甲壳质最主要的衍生物，不同程度的的脱乙酰作用可以获得不同脱乙酰度的CTS。粗壳聚糖分子量为1×105~10×105，通常其脱乙酰度为80%~95%。纯净CTS为白色或灰白色，半透明的片状固体。主要特性有：1)不能完全溶解于水和碱溶液中，但可溶于稀酸（PH《6），游离氨基质子化促进溶解。溶于稀酸呈粘稠状，在稀酸中CTS的β-1,4糖苷键会慢慢水解，生成低分子CTS。2)CTS在溶液中是带正电荷多聚电解质，具有很强的吸附性。3)CTS的溶解性与脱乙酰度、分子量、粘度有关，脱乙酰度越高，分子量越小，越易溶于水；分子量越大，粘度越大[1]。4）由于分子中C2位上的氨基反应活性大于-OH基，易发生化学反应，使CTS可在较温和的条件下进行多种化学修饰，形成不同结构和不同性能的衍生物。通过酰化、羟基化、氰化、醚化、烷基化、酯化、酰亚胺化、叠氮化、成盐、螯合、水解、氧化、卤化、接枝与交联等反应，可制备CTS衍生物。（2）CTS的生物活性CTS是一种天然、无毒、可生物降解的化合物，与机体之间有良好的生物相容性。主要生物活性有：1)CTS属天然高分子化合物，其分子链上的游离氨基在弱酸溶液中结合一个质子，生成阳离子聚合体，有很强的吸附能力，是一种良好的絮