导电高分子/TiO2复合可再生吸附剂的设计合成及吸附性能研究

Regeneration performance and selective adsorption properties are two important indicators of the performance for adsorbent materials. Focusing on the harsh renewable conditions and poor selective adsorption of the traditional adsorbent, micro/nano-TiO2 with high absorption rate prepared by hydrothermal or sol-gel method will be modified with conducting polymers that show reversible doping effect to increase the absorption rate and regeneration performance. The adsorption and regeneration performances will be further improved by introducing the function groups of sulfonic, carboxyl or hydroxyl onto the surface of the composite. The efficient regeneration of the composite adsorbent under room temperature is going to achieve by using acid or alkali solution with the conductive polymer dedoping characteristics. The selective adsorption properties of anionic and cationic dye onto the regenerated adsorbent will be studied to let this type of adsorbent materials can be applied to the adsorption and concentration process of organic dyes in the aqueous solution. The kinetic and thermodynamic study of the adsorption process will be carried out. Furthermore, the characteristics and mechanism of selective adsorption of organic dyes on the regenerated composite adsorbent will be revealed to provide the support of the theory and experiment in practical applications.

再生性能和选择吸附性能是评判吸附剂性能的两个重要指标。针对传统吸附剂再生条件苛刻和吸附选择性较差等难点，本项目拟以水热、溶胶-凝胶的方法制备不同形态的微纳米结构TiO2，再以化学或电化学方法制备导电高分子材料改性的微纳米结构TiO2，利用TiO2的快速吸附特性和导电高分子材料"掺杂"的可逆性改善吸附剂达到吸附平衡的时间和再生性能。通过磺化、羧基化和羟基化等方法在其表面引入功能基团，进一步改善其吸附和再生性能。借助导电高分子易"脱掺杂"的特性，运用酸或碱溶液实现复合吸附剂在常温条件下的高效再生，详细研究再生后吸附剂对阴离子型和阳离子型染料的选择吸附性能，使这类复合吸附剂材料能够运用到水溶液中有机染料的吸附和浓缩过程。并进一步通过吸附过程的动力学和热力学研究，揭示其对水溶液中有机染料选择性吸附的特征和机理，为其实际应用提供理论和实验依据。

本项目首先研究了不同有机酸和无机酸改性的聚吡咯（PPy）、TiO2和聚吡咯（PPy）/TiO2复合物对水中不同性质的染料-阴离子染料酸性红G（ARG）和阳离子染料亚甲基蓝（MB）-的吸附性能。研究结果显示通过不同有机酸和无机酸的改性，三种材料的表面物理化学性能都发生了一定程度的变化，特别是比表面积、Zeta电位等性能变化较大。.与TiO2相比，硫酸、硝酸改性的PPy/TiO2复合物的比表面积大大降低，由原来的260 m2/g降到100 m2/g以下，但其表面荷电情况并没有明显的改变；酒石酸和柠檬酸改性的复合物的比表面积从260 m2/g降到30 m2/g以下，而其Zeta电位从10以上降到2附近。这些表面性能的变化对其吸附性能也产生了较大的影响。实验发现，TiO2和PPy对ARG和MB都具有一定的吸附能力，但是TiO2的再生性能差；PPy虽然具有很好的再生性能，但是其吸附容量低（< 30 mg/g）; 而将PPy和TiO2复合后，其吸附容量得到较大的提高，特别是经柠檬酸改性的复合物对MB的吸附容量达到了440 mg/g。这种吸附可以在10 min之内达到平衡，并且其吸附容量受盐离子浓度影响较小。该吸附剂在吸附污染物之后只需要简单的酸和碱溶液依次处理就能够得到再生，并且再生后吸附容量没有明显的损失。通过研究，我们发现该复合物对有机污染物的吸附主要是依靠静电作用、氢键和色散等作用力实现。.在此基础上，我们开发出了适合于工业废水深度处理的导电聚合物/TiO2复合物新型吸附剂，并已相继完成了其中试放大和应用工程示范。其在处理废水过程中能够同时达到脱色、脱COD、脱总磷的目的，可广泛应用于印染、焦化、化工、养殖、发酵等污水处理厂的提标改造。目前，已完成吸附剂的工业化生产工艺，并成功对多家印染废水、化工废水进行了中试规模处理，取得了非常好的效果，市场推广前景良好。