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基于配位聚合原理的重金属沉淀 及其应用

基于配位聚合原理的重金属沉淀 及其应用. 报告人：应用化学 禤倩茹. 指导老师：熊亚 副教授. 内容. 1 前言介绍 2 实验部分 3 结论 4 创新之处. 1 前言介绍. 1.1 研究的必要性.

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基于配位聚合原理的重金属沉淀 及其应用

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Presentation Transcript

  1. 基于配位聚合原理的重金属沉淀及其应用 报告人：应用化学 禤倩茹 指导老师：熊亚 副教授

  2. 内容 1 前言介绍 2 实验部分 3 结论 4 创新之处

  3. 1 前言介绍 1.1研究的必要性 工业生产排放大量的重金属废水。例如作为广东尤其珠江三角洲地区支柱产业之一的电子信息产业在线路板的制造过程中每天排出大量重金属和络合重金属废水。据农业部资料，2000年我国1/5的耕地受重金属污染，直接经济损失200多亿，珠江三角洲城市郊区土壤和蔬菜重金属污染问题更加突出，已经严重影响到食品安全和人体健康，而目前尚无经济可行的治理手段。因此在重金属工业废水排出工厂之前必须对其进行严格的处理。

  4. 1.2重金属废水的处理方法 • 化学沉淀法 • 吸附法 • 膜过滤 • 离子交换法 化学沉淀法无论在投资成本还是在运行费用方面都有明显的竞争优势

  5. 1.3 化学沉淀法 • 传统沉淀法 • 氢氧化物沉淀 • 硫化物沉淀 局限性 • 沉淀均遇酸溶解，产生二次公害 • 污泥量大， • 沉淀不完全， • 对含稳定络合物的废水无能为力

  6. 现代沉淀技术 • 高分子捕集剂：一类带有螯合基团的高分子试剂 • 小分子沉淀剂：带一个螯合基团的化学试剂 • 配位超分子沉淀剂：带多个螯合基团的化学试剂

  7. 成本高 • 合基团数量有限 • 螯合空间位阻大 高分子捕集剂的局限性

  8. 小分子沉淀剂 • ETUS公司 ：TiO-Red （硫代碳酸盐 ） • Degussa公司：TMT-55 （三硫三嗪酸钠） • Adderson公司 ：HMP-2000 (硫代氨基甲酸盐） 局限性 • 原料利用率不高 • 络合能力不强 • 絮体松散 • 沉淀速度慢等

  9. 1.4 配位超分子化学与新型高效重金属废 水处理剂BDP • 1987年 Nobel化学奖授予了 C. J. Pedersen and J. M. Lehn，标志着超分子化学 (Supramolecular Chemistry) 进入了一个新的时代。配位聚合物的研究得到了蓬勃的发展。配位超分子聚合物因其在催化化学、主客体—超分子化学和分子磁性材料、超导材料、非线形光学材料等方面的潜在应用价值而成为最活跃的研究领域之一，其研究成为化学、物理、生物、材料、信息等领域的学科交叉的研究热点，但在环保领域的应用还未见报道。

  10. 图1. Cd2+和4,4-联吡啶形成的配位聚合物 图1. Cd2+和4,4-联吡啶形成的配位聚合物 图1. Cd2+和4,4-联吡啶形成的配位聚合物

  11. 一般来说，配位聚合物不仅溶解度小，而且分子量大，它结合了聚合物和配位化合物两者的特点。因此，我们认为配位聚合超分子原理应用于处理重金属废水将会起到意想不到效果，为此我们开始以配位超分子化学为基础，设计和合成多种以双基和三基配体为基础的新型沉淀剂的研究，期望它们能和重金属离子形成一维或多维的配位超分子聚合物沉淀，也因此我们将这类金属沉淀剂称为配位超分子重金属沉淀剂（CP沉淀剂）。BDP沉淀剂是我们研究的配位超分子重金属沉淀剂中的一种，其沉淀反应如下：一般来说，配位聚合物不仅溶解度小，而且分子量大，它结合了聚合物和配位化合物两者的特点。因此，我们认为配位聚合超分子原理应用于处理重金属废水将会起到意想不到效果，为此我们开始以配位超分子化学为基础，设计和合成多种以双基和三基配体为基础的新型沉淀剂的研究，期望它们能和重金属离子形成一维或多维的配位超分子聚合物沉淀，也因此我们将这类金属沉淀剂称为配位超分子重金属沉淀剂（CP沉淀剂）。BDP沉淀剂是我们研究的配位超分子重金属沉淀剂中的一种，其沉淀反应如下：

  12. 与其它配位超分子现比，BDP沉淀剂一个独到之处是我们在其中引入了具有好凝聚作用的离子，因此BDP是一种对重金属离子具有沉淀，凝聚和絮凝三重功能的废水处理药剂。测试研究表明它对重金属离子，特别是络合重金属离子的去除效率，絮体的沉淀速度，对重金离子的固定化时间以及产品的成本都明显优于目前市场上出售小分子沉淀剂。与其它配位超分子现比，BDP沉淀剂一个独到之处是我们在其中引入了具有好凝聚作用的离子，因此BDP是一种对重金属离子具有沉淀，凝聚和絮凝三重功能的废水处理药剂。测试研究表明它对重金属离子，特别是络合重金属离子的去除效率，絮体的沉淀速度，对重金离子的固定化时间以及产品的成本都明显优于目前市场上出售小分子沉淀剂。

  13. 2．实验部分 • 2.1 BDP的制备以及性质研究 • 2.1.1 合成方法 • 二硫化碳与某有机胺在氢氧化钠以及催化剂作用下进行亲核加成反应制备BDP。 • 产物用G5过过滤器过滤，沉淀用异丙醇洗涤，自然风干，称重。

  14. 2.1.2 BDP作为铜沉淀剂的行为 a. 铜离子的去除 b. 溶出实验 2.1.3与二乙基二硫代氨基甲酸钠（DDTC）的比较

  15. 2.2实验结果 2.2.1 合成条件 a. 溶剂配比对产率的影响 图2 BDP的产率与异丙醇在溶剂中的浓度关系

  16. b. 氢氧化钠用量对产率的影响 图3 产品产率与氢氧化钠的量的关系图

  17. c.反应时间对产率的影响 图4 产率与反应时间的关系图

  18. d. 温度对产率的影响 图5 产率与反应温度的关系

  19. 2.2.2 BDP作为铜沉淀剂的应用效果 a. 铜离子的去除效果 ·自由铜离子 · CuEDTA

  20. 图6 pH为5.5时，Cu2+浓度为50.00 mg/L的游离Cu2+以及CuEDTA溶液中剩余Cu2+浓度与BDP：Cu2+的摩尔比关系

  21. b. 剩余铜离子的浓度与废水pH的关系 图7 分别往50.00 mg/L自由铜离子溶液以及CuEDTA溶液中加入足量的BDP后，溶液剩余Cu2+与原始pH值的关系

  22. c. 溶液浊度测定 图8 pH为5.5时，把BDP加入浓度为50.00 mg/L的游离Cu2+溶液中并搅拌5 min后，溶液浊度与静置时间的关系

  23. d. [CuBDP]n沉淀在浸泡过程中, 铜离子溶出情况 图10 不同pH值下，[CuBDP]n沉淀中铜离子的溶出浓度与溶出时间的关系

  24. 2.2.3 BDP与二乙基二硫代氨基甲酸钠（DDTC）的比较 如前文所述，DDTC是商业上常用的单基配体沉淀剂，而双基配体BDP的性质也已经介绍过了，下面，我们将对这两种沉淀剂的性质进行比较。

  25. 表1 BDP与DDTC作为的自由Cu2+与络合Cu2+沉淀剂的主要参数比较 1：处理溶液为含Cu2＋废水； 2：处理溶液为含CuEDTA废水

  26. 3 实验结论 • BDP 配位超分子沉淀剂 • 对自由和络合重金属离子均有很高去除效率 • 絮体的沉淀速度 • 出水水质好 • 适应 pH范围宽 • 对重金离子的固定化时间长 • 具有很好的脱色功能 应用范围：适用于处理线路制造，电镀、五金加工、和采矿、选矿等行业所产生的含重金属污染的废水，对含油和部分印染废水也有良好的去除色度、油和COD的效果。

  27. 4 创新之处 已有重金属沉淀剂均为单基配体，它们只能形成小分子沉淀，原料利用率不高、络合能力不强、絮体松散和沉淀速度慢等，特别是针对稳定络合重金属离子废水无能为力。本项目设计和合成具有特殊结构的双基BDP金属沉淀剂，它们能和重金属离子形成多维的稳定配位聚合物，这些配位聚合物能不仅能将金属离子包括络合金属离子从水中沉淀至0.5 ppm 以下, 同时还能絮凝SS和将重金属离子以聚合物的形式长期固定，不会溶于酸（碱）中, 无二次公害問題。

  28. Thank you

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