镁基复合材料制备及其吸氟性能研究

发布时间：2020-05-28 02:40

【摘要】：氟(Fluoride)的元素符号是F,原子序数为9,是与人体健康密切相关的一种微量生命元素。人类所需的氟主要来自饮用水,人体摄入适量的氟可以促进牙齿和骨骼的生长,但是摄入过量的氟对人体是有害的,会造成多种组织器官病变,骨质疏松,氟中毒及甲状腺紊乱等。在我国,高氟水分布范围较广,遍及了27个省、市和自治区,主要以西北部和内蒙古地区尤为严重。青海盐湖富含丰富的镁资源,然而盐湖镁资源开发滞后,因此充分利用盐湖镁资源并有效处理高氟水对保护环境和人类健康具有重要的意义。本论文制备了层状Mg-Fe-Ce复合氧化物、磁性镁铝复合氧化物(Fe_3O_4@Mg-Al-O)和花状Mg-Al-CO_3-LDH@MIL-88A等复合材料,并对材料进行最优化,采用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)等手段对材料进行表征分析,同时研究上述材料对水溶液中氟离子的吸附行为,考察吸附时间、温度、溶液初始pH值和竞争离子等因素对吸附效果的影响,分析材料对氟离子的去除机理。1.采用共沉淀法制备了CeO_2/Mg-Fe-Ce-CO_3-HTlcs前驱体,制备方法简单,经400~oC煅烧得到Mg-Fe-Ce复合氧化物,并探究其对氟离子的吸附特性及机理。结果表明,n_(Fe3+):n_(Ce3+)=3:1时,前驱体具有较好的水滑石晶型且煅烧产物对氟离子的吸附效果最佳。Mg-Fe-Ce复合氧化物除氟效果受pH影响较小,最佳pH为4.0-9.0,吸附过程符合准二级动力学模型和Freundich等温模型,表明吸附过程是多分子层吸附且化学吸附为速度控制步骤。XRD、FTIR和XPS的结果表明,该材料的除氟机理主要是配体交换。2.采用溶剂热法合成粒径均一的磁性Fe_3O_4微球,并通过共沉淀法将磁性Fe_3O_4微球负载到镁铝水滑石表面,经400~oC煅烧得到磁性镁铝复合氧化物(Fe_3O_4@Mg-Al-O),并对其进行XRD、FTIR、SEM和BET等表征分析。结果表明,Fe_3O_4球状颗粒与层状镁铝复合氧化物结合紧密,材料表面凹凸不平,比表面积(S_(BET)=196.238 m~2·g~(-1))较镁铝复合氧化物(S_(BET)=129.439 m~2·g~(-1))大。单因素实验表明,Fe_3O_4与Mg(NO_3)_2·6H_2O的质量比为0.02:1时,Fe_3O_4@Mg-Al-O对氟离子的吸附量最大,最适pH为4.0-9.0,且材料对氟离子的选择性较高。Fe_3O_4@Mg-Al-O对氟离子的吸附是自发放热的,符合准二级动力学模型和Freundich等温模型,理论最大吸附量为170.02 mg·g~(-1),且吸附主要是通过材料表面羟基(M-OH)与氟离子的交换作用进行的。3.通过溶剂热法制备花状Mg-Al-CO_3-LDH,以其为支撑材料并采用水浴搅拌法合成Mg-Al-CO_3-LDH@MIL-88A。XRD、SEM和FTIR等表征手段表明,MIL-88A成功地负载到花状Mg-Al-CO_3-LDH上,且Mg-Al-CO_3-LDH的花状形貌保持不变。通过单因素、吸附动力学和吸附等温线实验探究Mg-Al-CO_3-LDH@MIL-88A对氟离子的吸附性能,结果表明在约420 min时吸附达平衡,平衡吸附量较负载前(Mg-Al-CO_3-LDH)大,吸附过程为多分子层吸附且以化学吸附为速度控制步骤。热力学实验表明,Mg-Al-CO_3-LDH@MIL-88A对氟离子的吸附是吸热自发的,且较小的焓变值表明吸附过程还伴随物理吸附。
【图文】：

Cs/Ce(L·g-1)为吸附平衡常数， (kJ·mol-1)为标准吸附吉布斯自 (J·mol-1·K-1)为标准吸附熵变， (kJ·mol-1)为标准吸附焓变，T文温度，R (8.314 J·mol-1·K-1)为气体摩尔常数。 结果与讨论.1 Fe/Ce 摩尔比对去除氟离子的影响保持 Mg/(Fe+Ce)摩尔比为 5/1 不变，调节 Fe/Ce 摩尔比分别为 1/0，3/10/1，探讨不同 Fe/Ce 摩尔比对材料吸附氟离子的影响，实验结果如。随着 Ce 含量的增加，Mg-Fe-Ce-O 对氟离子的吸附量先增加后降低，的 Ce 会提高材料的吸附性能，当 Fe/Ce 摩尔比为 1/3 时，吸附量最大 53.64 mg·g-1，因此 Mg-Fe-Ce-O 合成的最优 Fe/Ce 摩尔比为 1/3，Fe/Ce 摩尔比为 20/1/3。

图 2-3 (a) MFC13，，(b) MFC13-400 和(c) MFC13-400-F 的 FTIR 图谱Fig.2-3 FTIR spectra of the (a) MFC13, (b) MFC13-400 and (c) MFC13-400-F描电镜和 X 射线能谱分析(SEM-EDS) 2-4A 和图 2-4B 分别为 MFC13 和 MFC13-400 的扫描电镜图，从图FC13 为层状形貌且表面粗糙，分布较均匀，同时 MFC13 的 EDS 元明元素 Mg，Fe 和 Ce 分布均匀，煅烧后，MFC13-400 仍具有层状形不均匀，这可能是因为在煅烧过程中氢氧化物转变成了复合氧化3-400 的 EDS 能谱图见图 2-4B 内插图，从图中可知，实际合成 MFC13，Mg/Fe/Ce 摩尔比与理论 Mg/Fe/Ce 摩尔比相一致。
【学位授予单位】：青海师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU991.2;TB33;O647.3

【参考文献】

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本文编号：2684571