题名含硫植物橡胶的制备,修饰及其吸附性能研究
作者陈玉荣
答辩日期2020-05-29
授予单位中国科学院大学
授予地点中国科学院新疆理化技术研究所
导师张亚刚
关键词硫磺 植物油 含硫植物橡胶 修饰 汞离子吸附
学位名称硕士
学位专业有机化学
英文摘要

硫磺作为一种重要的化工原料,消耗量大、应用范围广。然而,从2016年开始,全球硫磺长期处于供过于求的状态。大量的硫磺堆积闲置,不仅造成硫磺资源的浪费而且存在储藏风险。为实现充分利用过剩硫磺的目标,开发以硫磺为主要原料、合成方法简单、可大批量生产的含硫功能聚合物在高分子化学领域将具有重要的现实意义。当前,所开发的含硫功能聚合物主要包括聚合硫、多硫化物、硫溶胶以及基于逆向硫化的含硫功能聚合物。其中,通过逆向硫化制备的含硫功能聚合物因其突出的硫含量和优异的性能,所以在能源、催化、光学器件、环境修复等可持续发展领域备受关注。植物油是一种来源广泛、成本低廉、可再生的绿色资源。本文中,将植物油作为天然交联剂,通过逆向硫化过程与硫磺反应,得到含硫植物橡胶聚合物。该类聚合物具有较高的硫含量,能够有效吸附溶液中的汞离子;再对其进行含氮官能化修饰可进一步提高该类聚合物的汞吸附性能。此外,与传统的壳聚糖类以及聚胺类汞吸附剂相比,含硫植物橡胶聚合物及其含氮官能化修饰产物具有更高的溶液适应性和稳定性,更低的制备成本以及更好的机械加工性。鉴于全球硫磺供过于求的历史现状以及绿色可持续发展的目标要求,结合我国水体汞污染治理的迫切需要,充分利用过剩硫磺资源和可再生的油脂资源,通过绿色、经济、高效的逆向硫化合成路线,创造具有环境修复功能的含硫植物橡胶汞吸附剂具有现实的重要意义。本论文研究内容主要围绕含硫植物橡胶的制备、修饰及其对于汞离子的吸附特性展开深入讨论,主要包括以下工作:(1)含硫植物橡胶的制备及其吸附性能研究 以硫磺为功能单体,花生油,棉籽油,红花油,胡麻油分别作为交联剂,于160 ℃条件下,通过逆向硫化过程成功制备了一系列含硫植物橡胶聚合物,并通过扫描电镜和傅里叶变换红外光谱对其微观表面形貌以及分子结构进行了表征。吸附比较实验揭示,硫磺与植物油的投料比会影响含硫植物橡胶聚合物对于汞离子的吸附性能;当两者质量比为1:1时,聚合物表现出最佳的吸附性能,其硫含量超过50%;但植物油种类对于这类聚合物的汞吸附性能并没有显著影响。吸附动力实验和吸附等温实验分别表明,含硫植物橡胶SCO3的吸附过程能够更好地用准二级动力学模型和Langmuir-Freundlich吸附等温模型拟合,说明吸附过程主要受化学作用力控制,属于单层-多层复合吸附类型,且吸附位点不均一,最大吸附容量为116.1 mg g-1。吸附选择实验、pH稳定性实验以及重复利用实验也表明,SCO3具有较高的吸附选择性、较宽的pH适用性以及优良的重复利用性,是一种能够有效吸附溶液中汞离子的新型功能材料。(2)含硫植物橡胶的修饰及修饰产物的吸附性能研究利用2-乙烯基吡啶、4-乙烯基吡啶、甲基丙烯酸2-氨基乙酯、3-甲氨基巴豆酸乙酯以及甲基丙烯酸二甲氨基乙酯分别对SCO3进行修饰,成功制备了一系列含氮官能化修饰的含硫植物橡胶聚合物。通过扫描电镜和红外光谱对修饰产物的微观表面形貌以及分子结构进行了表征。结果显示,与未经修饰的SCO3相比,修饰后聚合物的外观颜色更深,而且表面具有明显的孔洞结构。吸附比较实验结果表明,修饰剂中含氮官能团的类型以及修饰剂用量对于修饰产物的吸附性能具有显著影响。修饰剂的引入能够明显增加SCO3的汞吸附容量,而且以伯氨基的引入最有效。当修饰剂与硫磺质量比为0.05:1时,修饰产物具有最高的吸附容量,其硫含量也超过50%。红外光谱和X射线光电子能谱进一步表明,甲基丙烯酸2-氨基乙酯修饰的含硫植物橡胶SCOA2对于汞离子的吸附行为主要通过S和N原子对于汞离子的配位络合作用来实现。吸附动力实验和吸附等温实验也表明,SCOA2对于汞离子的吸附过程与SCO3类似,吸附过程也以化学吸附为主,同时存在单层吸附和多层吸附,吸附位点不均一,最大吸附容量为343.3 mg g-1,是SCO3最大吸附容量的3倍。尽管SCOA2中含有一定量的伯氨基,但与聚胺类汞吸附剂相比,依然具有较高的pH耐受性。此外,与SCO3相比,SCOA2具有更高的吸附选择性和更好的重复利用性,因而在汞离子吸附方面具有更好的应用前景。

内容类型学位论文
源URL[http://ir.xjipc.cas.cn/handle/365002/7443]  
专题新疆理化技术研究所_资源化学研究室
推荐引用方式
GB/T 7714
陈玉荣. 含硫植物橡胶的制备,修饰及其吸附性能研究[D]. 中国科学院新疆理化技术研究所. 中国科学院大学. 2020.
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