有机/无机复合弱碱性阴离子交换树脂设计合成、相关理论及应用研究

Macroporous weakly basic resin was impregnated with nanosized metal hydrous oxides through a new multi-step dispersed and doped procedure for removing organic acid from aqueous systems. The research focused on the development of impregnation methods, the effect of characteristics of metal hydrous oxides, such as amount, morphology, distribution, and species, to adsorption behavior. This prepared composite resin will exhibit very favorable adsorption to organic acid in terms of high capacity, selectivity, stability and adsorption rate, because of providing high surface area and more effective actived sites. Compared to metal hydrous oxides, the resin loaded metal hydrous oxides has more advantages like ease of regeneration, low desorption cost and high efficiency. The reaction mechanism of particles and the supporter may be obtained by studing the dispersed control method of loaded particles, and the relativity between metal oxides particles form and adsorption property. Meanwhile, the interaction mode of the actived site and adsorbate can be made sure. By the experiment of composite resin adsorption to wastewater, process parameters and conditions of composite resin prepared can be optimized. These are helpful to establish the theory and models on solid-liquid adsorption field. This research will working on this three aspects: preparation method of composite adsorbent, theory establishing of solid-liquid mass transfer process and application of this new adsorbent.

以大孔弱碱性阴离子交换树脂为载体，分散掺杂新型纳米级水合多价金属氧化物，合成一种比表面积大、交换吸附容量大、选择性高、交换吸附速率快、机械强度高、化学稳定性好、价格低廉 、易再生、寿命长适用于混合酸分离的新型有机/无机复合弱碱性阴离子交换树脂；开展金属氧化物颗粒在聚合物内的存在形式与交换吸附性能的相关性，制备过程中颗粒的控制、颗粒与载体之间的作用关联性，颗粒与载体之间作用机理、活性位点与酸的作用机理等理论研究及模型建立。并将制得的复合树脂应用于实际工业废水的实验研究及工艺条件优化，以进一步优化树脂的合成，检验完善相关理论及模型，实现树脂和相关理论及模型的应用。本项目在新型复合树脂的合成、理论、应用三个层面全面推进该方向的研究。

以大孔弱碱性阴离子交换树脂D301、聚4-乙烯吡啶树脂为载体，在适宜的温度、添加剂、pH等条件下，通过浸渍沉淀技术将多价纳米水合金属氧化物铁、铝、铜等分散掺杂到有机树脂上，制备合成出吸附容量大、比表面积高、选择性高、吸附速率快、稳定性好的，兼具高分子聚合物和无机物优点的新型D301Fe、D301Al、D301FeAl、D301FeCu、P4VPFe有机无机复合树脂。以扫描电镜（SEM）、、X射线衍射(XRD) 、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和比表面分析仪等对合成树脂的元素组成，活性功团分布、类型、结构，树脂与金属氧化物的作用方式，以及合成前后树脂内部结构、表面性质和交换吸附容量的变化进行了表征。. 以合成的D301Fe、D301Al、D301FeAl、D301FeCu、P4VPFe和磁性丙烯酸树脂树脂MAR为吸附剂，萘磺酸（NSA）/硫酸（H2SO4）/亚硫酸(H2SO3)、H酸、草甘膦为目标吸附质开展了单组分静态吸附、多组分竞争吸附、床层动态吸附和床层洗脱再生工艺条件、床层寿命等实验和模拟研究。.复合树脂具有两种不同类型的活性吸附位，一种是树脂自身携带的活性功能团，它主要通过质子化络合作用吸附溶液中的酸，另一种是树脂改性后形成羟基氧化物活性颗粒，主要通过配位作用与酸发生吸附，对于这两种活性吸附位，羟基氧化物活性颗粒吸附位占主体。建立了适用于非理想体系的液-固多组分竞争吸附平衡模型（NICM），并以此对多竞争交换吸附实验结果进行预测，预测结果与实验数据吻合较好。计算了交换吸附过程焓变、熵变、自由能变和 Ea 等热力学参数，并进行热力学分析。. 以制备的有机/无机复合交换树脂应用于含NSA、H2SO4、H2SO3实际工业废水的实验研究。采用多柱串联可有效实现NSA、H2SO4、H2SO3的分离。以氢氧化钠和乙醇浓度为混合液为解吸剂，可实现树脂的洗脱再生，解吸液经溶析结晶分离后可得到β-萘磺酸钠固体，其解吸率可以达到95.8 %。结晶后的β-萘磺酸钠经液相色谱分析，其纯度为99.3 %。