新型镍基材料的设计制备及其对砷的吸附性能研究

发布时间：2020-07-30 20:07

【摘要】：砷是地下水中最危险的有毒污染物之一,严重威胁着全世界数百万人的健康。在中国13个省区的饮用水中已检测到较高含量的砷。水溶液中砷的污染对人类健康和生态健康具有重要影响。长期接触含砷废水可导致癌症、皮肤病,并可对血管、肝肾和中枢神经系统造成严重损害。因此,迫切需要通过适当的方法从废水中去除砷。与其它处理方法相比较,吸附法具有成本低、效率高、操作简单和环境友好等优点,是去除水溶液中砷的最有效方法之一。因此,本论文我们制备了镍基复合材料用于去除水溶液中的五价砷(As(Ⅴ),通过静态批实验研究了它们对As(Ⅴ)的去除性能,并通过先进的表征分析手段探讨了它们对As(Ⅴ)的吸附机理。主要研究内容如下:1.通过水热法合成了镍铝层状双金属氢氧化物(NiAl-LDH),然后在不同温度下煅烧处理NiAl-LDH得到镍铝层状双金属氧化物(NiAl-LDO),并将它们用作吸附剂去除水溶液中的As(Ⅴ)。通过静态批实验系统地研究了溶液pH、反应时间、温度、初始As(Ⅴ)浓度和吸附剂含量等因素的影响。吸附等温线实验结果表明合成的NiAl-LDO对As(Ⅴ)的吸附容量远远高于NiAl-LDH,这是由于煅烧处理的NiAl-LDO具有“记忆效应”和较高的含氧量。在不同煅烧温度下的样品对As(Ⅴ)的吸附过程符合Langmuir模型,通过Langmuir模型计算出它们对As(Ⅴ)的吸附容量大小如下:NiAl-LDO_(500)(198.1 mg/g)NiAl-LDO_(400)(180.9 mg/g)NiAl-LDO_(300)(160.2 mg/g)NiAl-LDO_(600)(121.4 mg/g)NiAl-LDH(60.7 mg/g),在这些样品当中NiAl-LDO_(500)对As(Ⅴ)的吸附容量最大,而且随着煅烧温度升高吸附容量逐渐增加。然后我们还研究了溶液pH值对As(Ⅴ)吸附的影响,发现溶液在较低的pH值下NiAl-LDO_(500)对As(Ⅴ)具有较高的吸附容量,在高pH值下展现了较低的吸附容量。吸附动力学实验发现NiAl-LDO_(500)对As(Ⅴ)高效快速的吸附过程符合准二级动力学模型。热力学实验表明NiAl-LDO_(500)对As(Ⅴ)的吸附是一个吸热自发的过程。与其它吸附材料相比,NiAl-LDO具有合成方法简单、成本低廉、易于分离等优点,表明NiAl-LDO对于含砷废水的处理具有巨大的潜能。2.以Ni-MOF为自牺牲前驱体制备了一种磁性板栗壳状空心NiO_x/Ni@C结构复合材料,对比于前驱体Ni-MOF,发现合成后的NiO_x/Ni@C具有高比表面积、分散性好等优点,表明NiO_x/Ni@C可以作为一种理想的吸附材料。通过静态批实验系统地研究了溶液pH、初始As(Ⅴ)浓度、温度和反应时间对As(Ⅴ)吸附在NiO_x/Ni@C上的影响。吸附等温线实验结果表明不同煅烧温度下样品对As(Ⅴ)的吸附过程符合Langmuir模型,As(Ⅴ)在不同样品上的最大吸附容量大小依次为:NiO/Ni@C400(454.94 mg/g)Ni@C600(342.77 mg/g)Ni@C500(290.89 mg/g)NiO@C300(210.40mg/g)Ni-MOF(133.93 mg/g)。在这些材料当中NiO/Ni@C400表现了最高的吸附容量,这是由于NiO/Ni@C400含有丰富的含氧官能团和较大的比表面积。通过对吸附后的NiO/Ni@C400样品进行XRD表征,发现NiO/Ni@C400具有良好的化学稳定性。在不同pH条件下,NiO/Ni@C400对As(Ⅴ)都具有较高的吸附容量,表现出非常广泛的pH适用性。在共存离子干扰试验中发现As(Ⅴ)的吸附过程不易受共存离子的影响,这为NiO/Ni@C400应用于实际环境中As(Ⅴ)的去除提供了支持。此外,吸附动力学实验表明NiO/Ni@C400去除As(Ⅴ)是一个快速和高效的过程。由于材料合成方法简单、超高的吸附容量、以及简便的磁分离方法,使得NiO/Ni@C400在处理处置含As(Ⅴ)废水中具有广阔的应用前景。
【学位授予单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703
【图文】：

山东理工大学硕士学位论文 第二章 镍铝层状氧化物的制备及其对水溶液中砷的去除分别为 11.9、11.5、11.0、10.8 和 10.5。LDOx的 pHPZC随着煅烧温度的升高而逐渐降低。当 pH 低于 pHPZC时，NiAl-LDH 和 NiAl-LDOx的表面带正电荷，这有利于在其表面上与带有带负电荷的阴离子形成强络合物。

分配系数（Kd）用于评估吸附剂对吸附物的亲和力。从图2.8 可以看出随着固液比的增加，Kd值的变化很小，表明 NiAl-LDH 和 NiAl-LDO500的 Kd值与固/液比的相关性非常小，这与分配系数的物理化学性质一致。NiAl-LDO500的 Kd值高于 NiAl-LDH，表明 NiAl-LDO500对 As(V)具有更高的亲和力。图 2.8 吸附剂含量对吸附容量的影响Fig. 2.8 Effect of adsorbent contents on the adsorption ofAs(V) on NiAl-LDH and NiAl-LDO500(C0=40.0 mg/L, pH 5.0 ± 0.1, and T = 298 K)

500溶液 pH 从 6.0 增加到 12.0 而缓慢降低，最后维持在较低的吸附容量。这可能归因于NiAl-LDH 和 NiAl-LDO500的表面电荷性质以及 As(V)在水溶液中的不同存在形式。图 2.9b 清楚地显示，pH < 7.0 时 H2AsO42-是 As(V)在水溶液的主要存在形式，而在pH>7 时，HAsO42-和 AsO43-成为主要存在形式。然后通过 Zeta 电势仪表征了材料表面的零点电势，如图 2.6d 所示，NiAl-LDH 和 NiAl-LDO500的 pHPZC分别为 11.9 和10.8。在 pH < 11.9 时，NiAl-LDH 的表面电势为正，这有利于 NiAl-LDH 与 As(V)离子的结合。在 pH<10.8 时，NiAl-LDO500的表面电势为正，这有利于 NiAl-LDO500与As(V)离子的结合。因此，当 pH<pHPZC时，表面带正电势的 NiAl-LDH 和 NiAl-LDO50与带负电荷的 As(V)之间存在静电吸引，所以 NiAl-LDH 和 NiAl-LDO500对 As(V)具有巨大的去除效率。除了相互作用受静电吸引力控制，化学吸附也可能对 As(V)去除有很大的作用[68]。在 pH > pHPZC时，NiAl-LDH 和 NiAl-LDO500的表面电势随着 p的增加而降低，高 pH 值时表面电势变为负电荷。由于表面带负电势的 NiAl-LDH 和NiAl-LDO500与带负电荷的 HAsO42-和 AsO43-之间存在静电斥力，吸引力减弱，所以高 pH

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本文编号：2776017