镁铁水滑石基复合材料的制备及其对废水中有机污染物的吸附性能研究

发布时间：2020-05-16 19:51

【摘要】：地表水和地下水系统中的有机污染物严重危害了水生态系统以及人类健康。近年来,随着工业、农业、人类生活排放大量的污染物进入环境中,在有机污染物的去除方面进行了大量的研究。吸附法因其高效、廉价、操作简单、对环境友好等优势而被广泛应用。传统吸附材料最大的缺点就是在实际水处理过程中去除效率低、有限的回收利用率。因此开发新型的应用范围广、去除效率高的吸附材料非常重要。本文设计合成了四种以镁铁水滑石为基材的有机/无机复合吸附材料,系统研究了四种吸附材料分别对不同有机污染物的吸附性能,深入探讨了不同吸附材料分别对不同污染物的吸附机制,具体研究成果如下:1)利用共沉淀法,制备了壳聚糖基镁铁水滑石煅烧材料(CSLDO),避免单一水滑石的团聚,具备较大的比表面积和吸附容量。分别采用物理和化学的分析方法对CSLDO进行表征,同时用于去除溶液中的甲基橙(MO)和四环素(TC)。结果表明合成过程中首先形成纳米颗粒,然后聚集形成多孔和层状交错的结构。壳聚糖基镁铁水滑石在400℃下煅烧的产物(CSLDO400)具有最大的比表面积(116.98 m~2 g~(-1))和孔体积(0.411 cm~3 g~(-1));CSLDO400在pH=5-9时对MO具有最大的吸附容量,在pH为9时对TC吸附最佳;二价和三价阴离子对吸附过程影响较大,而一价阴离子对吸附过程基本没有影响;吸附动力学表明MO和TC的吸附过程均遵循准二级动力学模型;MO吸附等温线与Langmuir模型的契合度较高,TC的吸附等温线与Freundlich模型的契合度较高,MO和TC在298K温度下的最大单分子层吸附量分别约为1266.42和195.31 mg g~(-1);吸附过程均是自发的吸热过程;进行五次吸-脱附实验后,CSLDO400仍保持较高的稳定性。吸附机理主要是水滑石层间离子的离子交换,以及镁铁金属混合氧化物在恢复水滑石原始的层状结构过程中嵌入阴离子形式的MO和TC分子。2)利用水热合成法,以g-C_3N_4为基材成功制备了g-C_3N_4@Mg-Fe LDH复合材料,并利用腐殖酸(HA)对其表面进行了改性。通过TEM、SEM、XRD、BET、TGA、FT-IR、XPS等技术对HA改性的g-C_3N_4@Mg-Fe LDH复合材料(g-C_3N_4@Mg-Fe LDH/HA)进行了表征。SEM结果表明g-C_3N_4@Mg-Fe LDH/HA具有明显的层状结构,且表面成功负载有大量的HA。g-C_3N_4@Mg-Fe LDH/HA对四环素(TC)、2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)和草甘膦(GP)的吸附实验结果显示:负载HA的g-C_3N_4@Mg-Fe LDH中的HA浓度为100 mg L~(-1)时,对TC、2,4-DCP和GP的吸附容量相对较高;吸附TC的最佳pH范围是7~9,2,4-DCP和GP的吸附的最佳pH范围是3~9;溶液中离子强度对g-C_3N_4@Mg-Fe LDH/HA100的吸附容量影响有限;TC、2,4-DCP和GP的吸附过程均与准一级动力学模型的契合度更高;TC和GP的吸附数据更适合利用Freundlich等温吸附模型进行拟合,而2,4-DCP的吸附过程与Langmuir等温吸附模型的契合度更高;TC、2,4-DCP和GP的吸附过程均是自发的吸热过程。吸附机理主要是水滑石层间离子交换以及HA表面的各种基团与有机污染物之间产生的表面络合和氢键作用。3)利用共沉淀法和热合成法,合成了g-C_3N_4基多孔聚酰亚胺(g-C_3N_4@PI),并以此为基础制备了g-C_3N_4@PI@Mg-Fe LDO有机/无机复合吸附材料。分别采用TEM、SEM、XRD、BET、TGA和FT-IR、XPS等表针手段的分析了复合材料的物理和化学性能。SEM和BET的分析结果显示g-C_3N_4@PI显著改变了Mg-Fe LDH的的表面形态、比表面积。g-C_3N_4@PI@Mg-Fe LDO对TC、2,4-DCP和GP的吸附结果显示:g-C_3N_4@PI@Mg-Fe LDO在较广的pH范围内对TC、2,4-DCP和GP均具有较好的吸附性能,最佳pH范围分别为7~9,3~9和9;离子强度和HA对吸附过程的影响都比较有限;吸附动力学表明TC和GP的吸附过程与准二级动力学模型契合度高,而2,4-DCP的吸附过程更适合遵循准一级动力学模型;TC、2,4-DCP和GP的吸附实验数据均更加适合利用Freundlich等温吸附模型进行拟合,三种污染物在298K温度下的最大单分子层吸附量分别约为154.8、170.36和197.63 mg g~(-1);吸附过程均是自发的吸热过程;进行五次吸-脱附实验后,g-C_3N_4@PI@Mg-Fe LDO仍保持较高的稳定性和可重复性。吸附机理主要是水滑石层间离子交换以及PI与有机污染物之间产生的氢键和表面络合作用。4)利用共沉淀法和热合成法,成功制备了一种新颖的在Fe_3O_4表面涂层多孔聚酰亚胺(PI)和水滑石(LDH)的核壳结构的磁性PI@LDO复合材料。通过TEM、SEM、XRD、BET、TGA、FT-IR、XPS以及磁性测量等技术对磁性PI@LDO进行表征。其结果表明磁性PI@LDO复合材料具有明显的核壳结构,且表面展示出类似花瓣状的形态,比表面积较大(154 m~2 g~(-1))。磁性PI@LDO还被用于去除溶液中的TC、2,4-DCP和GP。TC和GP吸附的最佳pH范围是5~9,2,4-DCP吸附的最佳pH范围是3~7;溶液中存在的腐殖酸对磁性PI@LDO的吸附容量影响有限;TC和GP的吸附过程与准二级动力学模型的契合度更高,而2,4-DCP的吸附过程更适合利用准一级动力学模型进行拟合;TC和2,4-DCP的吸附数据更适合利用Freundlich等温吸附模型进行拟合,而GP的与Langmuir等温吸附模型的契合度更高;TC、2,4-DCP和GP的吸附过程均是自发的吸热过程;在吸附再生实验中,磁性PI@LDO显示出优越的可重复性和稳定性。吸附机理主要是水滑石层间离子交换以及PI与有机污染物之间产生的氢键和表面络合作用。
【图文】：

图 1.1 聚酰亚胺结构性纳米材料年来，越来越多的研究者开始研究磁性纳米颗粒（MNP），并将其理中分离污染物[101]。磁性纳米颗粒能够在外磁场的作用下简单、快收，因此引起了许多研究者的注意，并设计合成了许多新颖的磁性目前合成 Fe3O4以及以 Fe3O4为核心改性的磁性纳米复合材料的方主要包括水热和溶剂热法、沉淀法、微乳液法和溶胶-凝胶法。再合构的纳米复合材料时，磁性的核层有许多种，主要包括铁钴氧体[103]以及 Fe3O4[105-107]，，其中以 Fe3O4为壳层的磁性纳米复合材料的研究近，研究人员对一步热合成法对 Fe3O4进行改性并保持良好的磁学性ng Chen 等[109]合成了一种新颖的多级孔道结构的 Fe3O4@MgAl-LD料，并研究了其吸附废水中有机染料的性能，结果显示合成的磁性均匀的垂直/水平的血小板形态，且对刚果红的最大吸附容量达到

状结构[112]（如图1.2）。水滑石结构中许多二价金属离子与三价金属离子之间同晶置换，在层状框架中产生了大量的剩余正电荷，这使得大量的阴离子和水分子置于层间来平衡剩余正电荷[113, 114]。水滑石和类水滑石的化学通式为[Mx2+My3+(OH)2(x+ y)]Ay / nn ·mH2O，其中M2+代表二价金属离子，如Zn, Mg, Cu, Co, Ni 等；M3+代表三价金属离子，如Al, Fe, Cr等；An 代表可交换的电荷补偿无机或有机阴离子。m是水滑石化合物中含水的摩尔数，y是水滑石化合物中M3+的摩尔分数。水滑石和类水滑石所具有的的层状空间和大量的可交换阴离子，使其非常适合作为离子交换提和吸附材料而使用。近年来，研究人员根据水滑石和类水滑石独特的结构分别将其作为催化剂载体、催化剂、吸附剂[115]、离子交换剂[116-118]进行了大量的研究。水滑石及类水滑石合成一般只利用一种二价金属离子（Mg2+、Fe2+、Ni2+等）和一种三价金属离子（Al3+、Cr3+、Mn3+、Fe3+等）作为双金属离子来源。而随着水滑石的深入
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;O647.3

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 ;泰兴铝镁铝镁水滑石生产线荣入山西省工业重点推进项目[J];中国粉体工业;2009年04期

2 聂颖;肖明;;水滑石类化合物及其在塑料中的应用研究进展[J];塑料助剂;2018年02期

3 郎集会;张思琪;李天顺;王佳英;孙雨婷;;水滑石与类水滑石的催化性能研究[J];吉林师范大学学报(自然科学版);2017年02期

4 董子杏;毕佳鑫;海波;;镍钴铬三元水滑石的制备及其电化学性能探索[J];化工技术与开发;2017年09期

5 王佳翰;郎春燕;陈小平;;水滑石类稳定剂热稳定效果的影响因素及其使用途径[J];中国塑料;2015年04期

6 孙艳慧;;水滑石类材料在废水处理方面的应用进展[J];黄金科学技术;2015年03期

7 吴霞;张立忠;赵秀峰;;活性炭复合镍铝水滑石的制备[J];黑龙江科技信息;2015年27期

8 徐芳;;乙二胺四乙酸柱撑镁锌铝三元水滑石的制备与表征[J];化学研究;2014年02期

9 江平;蒋志城;;水滑石类层柱材料在环境保护中的应用研究[J];浙江树人大学学报(自然科学版);2006年02期

10 周良芹;付大友;袁东;;水滑石类化合物的研究进展[J];四川理工学院学报(自然科学版);2013年05期

相关会议论文 前10条

1 吴晓妮;;水滑石类化合物在催化领域中的应用[A];第七届全国工业催化技术及应用年会论文集[C];2010年

2 谭琦;刘新海;李一波;刘玉林;;水滑石类化合物的应用研究进展[A];2014年中国非金属矿科技与市场交流大会论文集[C];2014年

3 徐洁;杨飘萍;;勃姆石溶胶辅助合成石墨烯/钴铝水滑石复合物及其电化学性能研究[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第37分会：能源纳米科学与技术[C];2014年

4 李晓舟;郭影;;多核固体核磁共振技术研究水滑石材料的记忆效应[A];第十八届全国波谱学学术年会论文集[C];2014年

5 张文会;何静;钱振义;段雪;;镍钛水滑石的制备和表征[A];第一届全国化学工程与生物化工年会论文摘要集(下)[C];2004年

6 田阳;毕永民;李亚平;孙晓明;;镍铁水滑石作为析氧反应催化剂的性能研究[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第十九分会：化学中的量子与经典动力学[C];2016年

7 谢亚茹;徐赛龙;段雪;;醇体系中胶体水滑石的工程化制备[A];中国化学会第26届学术年会纳米化学分会场论文集[C];2008年

8 王晓彤;徐婷;杨迎生;徐赛龙;张法智;;基于水滑石前躯体微球的钴铁尖晶石空心球的制备、磁学性能及电化学性能研究[A];中国化学会第27届学术年会第10分会场摘要集[C];2010年

9 赵智平;匡晔;徐赛龙;张法智;;水滑石纳微图案化薄膜固载荧光蛋白的性能研究[A];中国化学会第27届学术年会第16分会场摘要集[C];2010年

10 苏继新;王仲鹏;聂玉伦;牟真;蒋政;郝郑平;;镧掺杂水滑石材料的热分解过程研究[A];第十一届全国稀土催化学术会议论文集[C];2004年

相关重要报纸文章 前5条

1 记者 李丽云 通讯员 唐晓伟;药物效力“导航仪”说了算[N];科技日报;2013年

2 记者 许正;药物“精确打击”成为现实[N];人民日报海外版;2013年

3 唐晓伟 记者 姜雪松;“导航仪”能把药物直送病灶[N];哈尔滨日报;2013年

4 衣晓峰;“导航仪”能使药物直抵病变部位[N];中国医药报;2013年

5 甘晓;科学家成功合成新型电解水催化剂[N];黄河报;2016年

相关博士学位论文 前10条

1 吴汉军;镁铁水滑石基复合材料的制备及其对废水中有机污染物的吸附性能研究[D];中国地质大学;2018年

2 李蕾;类水滑石材料新制备方法及结构与性能的理论研究[D];北京化工大学;2002年

3 李文卓;层嵌主客体功能复合化合物研究[D];吉林大学;2004年

4 苟国敬;镁铝层状复合氢氧化物微晶的合成与应用基础研究[D];中国科学院研究生院（青海盐湖研究所 ）;2005年

5 徐向宇;层状α-Ni（OH）_2和镍铝水滑石的光敏性能研究[D];北京化工大学;2006年

6 杜隆超;聚合物/水滑石类层状双氢氧化物复合材料的制备和结构性能研究[D];中国科学技术大学;2006年

7 郑崇辉;磁性水滑石的制备与表征[D];哈尔滨工程大学;2007年

8 张娴;水溶性铑膦配合物插层水滑石的组装及其催化性能评价[D];北京化工大学;2007年

9 常铮;含稀土水滑石的可控制备、结构表征及其催化应用[D];北京化工大学;2006年

10 李博;阴离子型层状材料水滑石的制备与晶体形貌控制研究[D];北京化工大学;2008年

相关硕士学位论文 前10条

1 刘贵花;水滑石负载金属氧化物材料的制备及其在染料废水处理中的应用研究[D];浙江工业大学;2014年

2 孙亚月;水滑石类材料的插层组装及对酚类化合物的增强吸附性能[D];武汉理工大学;2015年

3 周绍杰;几种典型水滑石杂化材料的原位合成及其阻燃EVA的研究[D];青岛科技大学;2017年

4 邹义冬;功能性水滑石（LDHs-X）粘土矿物对放射性核素铀的吸附及机理研究[D];东华理工大学;2017年

5 王佳翰;锌铝铈三元水滑石的结构、组成分析及对硒的吸附研究[D];成都理工大学;2015年

6 冯建湘;橡胶/水滑石复合材料的制备、结构及性能研究[D];湖南师范大学;2010年

7 刘方方;阻燃尼龙6/水滑石复合材料的制备与表征[D];郑州大学;2010年

8 高媛;水滑石的改性及其在碱催化反应中的应用研究[D];陕西师范大学;2012年

9 刘岩峰;水滑石结构记忆效应及其结构塌陷动力学行为研究[D];哈尔滨工程大学;2009年

10 李松南;磁性水滑石及其改性材料对六价铬及铜离子吸附性能的研究[D];哈尔滨工程大学;2009年

本文编号：2667226