随着经济的迅猛发展,各制造业的排水量激增,工业废水的不达标排放严重危害人类与地球环境;我国对水中各污染物的排放限值不断降低,各企业在废水处理方面面临着严峻的挑战。吸附法作为水处理的工艺之一,由于操作简单、成本低而被广泛应用。本论文制备了新型有机-无机复合吸附剂——PANI/TiO2,并考察了其对水中5种典型污染物的吸附性能,包括亚甲基蓝(MB)、酸性红G(ARG)、总磷(P)、六价铬(Cr(VI))和五价锑(Sb(V));提出了吸附机理和可能的吸附位点;最后以分子基团掩蔽法设计研究了各基团位点的吸附贡献和吸附机制,为PANI/TiO2对废水的适用性做理论指导,并为进一步开发其它导电高分子聚合物类吸附剂提供方法借鉴。主要的研究结果如下:(1)通过一步法将PANI(聚苯胺)与TiO2(二氧化钛)成功复合,复合前后形貌和表面孔结构变化不大,晶型接近TiO2锐钛矿结构;复合物中PANI与TiO2的质量比基本为1:1,其中的PANI以掺杂态的ES(Emeraldine Salt)盐存在,TiO2表面有大量的羟基基团、硝酸根和羧基基团存在;PANI和TiO2之间形成了较强的化学作用力,包括PANI中的-NH-与TiO2表面的-OH形成的氢键作用、PANI中的=NH+-与TiO2表面的阴离子形成的静电引力作用及内层TiO2中的Ti悬键与PANI链中N原子的微弱配位作用。PANI/TiO2的等电点(pHiep=5.21)介于PANI和TiO2之间;PANI/TiO2比复合前具有更高的热稳定性和酸碱稳定性,并表现出更优的沉降性能。(2)2 g·L-1 PANI/TiO2能将10 mgP·L-1溶液中的磷含量直接降低至国标(GB18918-2002)以下;在pH为1~6时,PANI/TiO2对H2PO4-具有较高的去除率;温度对吸附过程影响不大;共存离子SO42-主要通过配体交换机制与H2PO4-产生竞争吸附;PANI/TiO2对磷的吸附在60 min内达到平衡,为化学吸附控制过程;PANI/TiO2对磷的吸附符合Langmuir等温线模型,最大吸附量为12.11 mgP·g-1。0.5 mol·L-1 NaOH溶液可作为磷脱附剂,8 h后达到脱附平衡,脱附率达95%以上;经5次循环吸脱附,PANI/TiO2仍具有较高的再生吸附效率和脱附效率;重复利用脱附液可实现P溶液的浓缩。在复合吸附剂中,TiO2对磷的吸附贡献远大于PANI,PANI在复合吸附剂的再生循环过程起重要作用;吸附机制包括静电作用、离子交换和Ti-O-P之间的化学作用。(3)PANI/TiO2对MB溶液的吸附最佳pH为4~11,吸附效率随温度升高略有增加,吸附平衡时间为120 min,最大吸附量为458 mg·g-1;PANI/TiO2对MB的吸附涉及物理吸附和化学吸附,同时受膜扩散和孔扩散的控制;使用0.1 mol·L-1 HCl溶液作为脱附剂,经10次吸脱附循环后PANI/TiO2对MB仍能具有99%的吸附效率;TiO2对MB的吸附主要发生在羟基和配位羧基上,而PANI对MB的吸附主要是氨基基团的氢键作用和静电作用,以及苯环上的π-π共轭作用和疏水作用。(4)PANI/TiO2对ARG在pH为1~10范围内具有较好的吸附效果;升温有利于吸附的进行;共存离子SO42-和PO43-对吸附有明显负影响;PANI/TiO2对ARG的吸附在5 min内到达平衡,吸附过程符合Langmuir等温线模型,主要受化学吸附控制,最大吸附量为418.41 mg·g-1;以0.1 mol·L-1 NaOH溶液为脱附剂经8次循环吸脱附,PANI/TiO2对ARG的吸附效率仍维持在80%以上;吸附主要发生在掺杂态的PANI上,ARG与对阴离子Cl-发生离子交换;TiO2主要增加了吸附剂的沉降性能;对ARG的吸附机制涉及了质子化、去质子化、离子交换和静电作用及π-π堆积作用。(5)PANI/TiO2对Cr(VI)的吸附性能在pH为4~5时较优,对Sb(V)的吸附最佳pH则为1~2;温度升高有利于PANI/TiO2对两者的吸附;PANI/TiO2对Cr(VI)的吸附受H2PO4-和ARG共存离子竞争影响较明显;对Sb(V)的吸附受H2PO4-和SO42-的竞争影响较大;Cr(VI)和Sb(V)的共存对各自的吸附有协同增加的效果,可能形成Cr-O-Sb结构;PANI/TiO2对Cr(VI)的吸附在30 min内达到平衡,吸附过程同时涉及物理吸附和化学吸附;而PANI/TiO2对Sb(V)的吸附平衡需要360 min完成,吸附过程主要是单层非均质化学吸附;以pH为7~8的NaOH溶液为脱附剂,经5次吸脱附循环,PANI/TiO2对Cr(VI)和Sb(V)的吸附效率仍能分别维持在95%和99%以上;PANI/TiO2对HCrO4-的吸附主要发生了离子交换和π-阴离子作用;PANI/TiO2对SbO2+的吸附属于专属吸附,SbO2+与PANI链中-N=基团发生了强的化学作用,与Ti之间形成强的Ti-O-Sb化学作用力。(6)设计合成了不同官能团特性的4种TiO2产物和5种苯胺低聚衍生物,并将合成的化合物用于吸附5种典型污染物,分析各官能团对不同污染物的吸附贡献和作用机制。研究发现:P的吸附主要在TiO2上发生了Ti-O-P相互作用,与TiO2表面基团没有关系;对MB的吸附研究发现,TiO2表面羟基和配位羧基与MB发生了氢键作用和静电作用;MB与PANI间发生π-π堆积作用以及疏水作用;对ARG的吸附主要通过与掺杂态PANI链中的亚胺N原子上的对阴离子发生交换,同时有弱的π-π堆积作用、静电作用和氢键作用的贡献;TiO2上的硝基和羧基基团通过配体交换机制和氢键作用而提高对Cr(VI)的吸附效率;PANI对Cr(VI)的吸附机制主要是离子交换和π-阴离子作用;TiO2表面羟基与Sb(V)发生了作用,可能是SbO2+与氢正离子的离子交换过程;PANI对Sb(V)的吸附过程与亚胺基N原子(-N=)有关,发生了配位作用。