磁性纳米材料的制备及其对水土环境中重金属的去除效果

发布时间：2020-08-19 10:26

【摘要】：随着城市化、工业化和农业集约化的进程越来越快,重金属污染问题也日益突出。重金属一般不能被生物降解,一旦进入水体或土壤中则很难清除,重金属超标在污染环境的同时还诱发各种疾病,对人类的健康造成直接或间接的威胁。磁性材料具有独特的金属离子吸附性能和通过外加磁场可实现分离,避免二次污染的风险,其在环境污染治理领域受到越来越多的关注。常见的磁性核主要有磁铁矿(Fe3O4),磁赤铁矿(γ-Fe2O3),镍铁氧体(NiFe2O4),钴铁氧体(CoFe2O4),锰铁氧体(MnFe2O4)等。其中,由于Fe3O4具有体积小、比表面积大、稳定性强、低毒性等特点,近年来被广泛应用与研究,而Fe3S4作为Fe3O4的同构体,具有成本低、还原性强等优点,逐渐被应用到重金属去除过程中。本文以Fe3O4和Fe3S4作为磁性核,再对其进行无机物或有机物的修饰,进一步提高其去除重金属的性能。采用扫描电子显微镜、X射线光电子能谱分析等对改性前后的材料进行表征分析。以铅为目标污染物,探究材料对水土环境中铅污染的去除效果。以六价铬为目标污染物,考察溶液pH、初始浓度等因素对材料性能的影响,并探究吸附-还原机制。本论文的主要研究内容和结果如下:(1)采用溶胶-凝胶法制备TiO2，并将其负载于Fe3O4表面,得到复合材料Fe3O4@TiO2。通过XRD表征结果可得,在420℃条件下煅烧后所得TiO2为锐钛矿型。Fe3O4@TiO2对溶液中铅离子去除符合拟二阶动力学模型和Langmuir吸附等温线。Fe3O4@TiO2处理自制铅污染土壤7天时,总量移除率约30%,显著降低土壤中有效态的含量,提高残渣态比例,降低铅生物有效性。Fe3O4@TiO2处理铅镉复合污染土壤10天时,全量铅和镉分别降低41%和27%,有效态铅和镉分别降低33%和25%,可以实现快速移除土壤中重金属的目标。(2)采用水热法成功制备新型Fe3S4和Fe3S4-CTABX复合材料,随着CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)投加量的升高,材料对Cr(VI)的去除率呈现先上升后下降的趋势,当CTAB的投加量为0.75g时,材料拥有最大的比表面积和对Cr(VI)的最大吸附量为330.03mg·g-1。在Cr(Ⅵ)还原过程中Fe(Ⅱ)和S(-Ⅱ)发挥主导作用。CTAB可以提高材料去除性能的原因主要是提高S(-Ⅱ)比例和材料的分散性。拟二阶动力学模型更适合解释Cr(VI)去除过程。对不同Cr(Ⅵ)初始浓度的吸附试验更吻合Langmuir模型。同时,在酸性条件下材料中Fe(Ⅱ)容易溶出,所以H+的存在有利于Cr(Ⅵ)的还原。(3)在本实验中,采用水热法在不同反应温度(18℃-200℃)下制备磁性材料Fe3S4。讨论了反应温度对Fe3S4纯度的影响,当反应温度为190℃时,获得高纯度的Fe3S4。通过聚乙烯亚胺(PEI)的胺基与羧甲基纤维素(CMC)的羟基之间的交联反应将CMC-PEIx负载于Fe3S4表面得到新型磁性复合材料——Fe3S4@CMC-PEIx。当PEI的添加量为20g·L-1，Fe3S4@CMC-PEIX对Cr(Ⅵ)去除拥有最佳性能。最佳溶液pH值为2.0,Fe3S4@CMC-PEI20对Cr(VI)的最大吸附量为124.38mg·g-1。Cr(Ⅵ)去除过程符合拟二阶动力学模型和Langmuir模型。同时,讨论了 Fe3S4@CMC-PEI20对Cr(Ⅵ)的还原机制,随着pH的升高,主要的电子供体从Fe(Ⅱ)转向H+,同时C-O官能团对Cr(Ⅵ)的还原也具有协同作用,随后产生的Cr(Ⅲ)被-NH2通过螯合作用吸附在材料表面。
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X50;TB383.1
【图文】：

逦７．８５０逦０．０６３逡逑图２．４为Ｆｅ３０４和Ｆｅ３０４＠Ｔｉ０２的磁特性分析。根据磁滞回线，Ｆｅ３０４的矫顽力大约逡逑９０Ｏｅ，表明该材料为软磁材料；Ｆｅ３０４＠Ｔｉ０２的饱和磁化强度显著低于Ｆｅ３０４，大约下降逡逑５５％

Ｒｅｌａｔｉｖｅ邋Ｐｒｅｓｓｕｒｅ邋（Ｐ／Ｐ0）逦Ｐｏｒｅｄｉａｍｅｔｅｒ（ｎｍ）逡逑图２．３逦（ａ）邋Ｆｅ３０４和Ｆｅ３０４＠Ｔｉ０２的氮气吸附脱附等温线和（ｂ）邋ＢＪＨ孔径分布图逡逑Ｆｉｇ．邋２．３邋（ａ）邋Ｔｈｅ邋ｎｉｔｒｏｇｅｎ邋ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ邋ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ邋ｉｓｏｔｈｅｒｍ邋ｏｆ邋Ｆｅ３0４邋ａｎｄ邋Ｆｅ３0４＠Ｔｉ0２邋ａｎｄ邋（ｂ）邋ＢＪＨ邋ｐｏｒｅ邋ｓｉｚｅ逡逑ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｃｕｒｖｅ逡逑表２．１邋Ｆｅ３０４和Ｆｅ３０４＠Ｔｉ０２的比表面积、平均孔尺寸和平均孔容积逡逑Ｔａｂｌｅ邋２．１邋Ｓｕｒｆａｃｅ邋ａｒｅａ，邋ａｖｅｒａｇｅ邋ｐｏｒｅ邋ｓｉｚｅ邋ａｎｄ邋ｐｏｒｅ邋ｖｏｌｕｍｅ邋ｏｆ邋Ｆｅ３0４邋ａｎｄ邋Ｆｅ３0４＠Ｔｉ0２逡逑Ｓａｍｐｌｅ逦ＳＢＥＴａ（ｒｎ２＊ｇ＿１）逦Ｐｏｒｅ邋ｓｉｚｅｂ（ｎｍ）逦Ｐｏｒｅ邋ｖｏｌｕｍｅ＾ｃｍ＇＾ｇ＇１）逡逑Ｆｅ３０４逦３．８２０逦１７．４５５逦０．０１７逡逑Ｆｅ３0４＠Ｔｉ０２逦３２．２８３逦７．８５０逦０．０６３逡逑图２．４为Ｆｅ３０４和Ｆｅ３０４＠Ｔｉ０２的磁特性分析。根据磁滞回线，Ｆｅ３０４的矫顽力大约逡逑９０Ｏｅ，表明该材料为软磁材料；Ｆｅ３０４＠Ｔｉ０２的饱和磁化强度显著低于Ｆｅ３０４，大约下降逡逑５５％

５逡逑２．２．２水溶液中重金属Ｐｂ的吸附实验逡逑图２．５为不同投加量的Ｆｅ３０４＠Ｔｉ０２在不同取样时间对水溶液中离子态铅的去除效果逡逑图。如图所示：Ｆｅ３０４＠Ｔｉ０２的投加量分别为（Ｕｇｔ１，ＯｉｇＬ—１，１．０ｇ＿Ｌ＇邋１．６ｇ．ｌＡ当逡逑投加量为０．４邋ｇ－Ｕ１时，在实验开始的６０ｍｉｎ内，材料对铅离子的去除率波动性强，反应９０ｍｉｎ逡逑后，去除率达到８５％左右。当投加量为０．６邋ｇｆ时，反应ｌＯｍｉｎ后去除率接近９０％，５０ｍｉｎ逡逑后达到反应平衡，去除率约为９９％；当投加量为１．０邋ｇｌ—１和１．６邋ｇ－Ｕ１时，两者曲线基本重逡逑合，反应ｌＯｍｉｎ后都达到平衡，去除率近１００％。逡逑，０°－逦ｔ邋＾逦二一？逡逑９５－逦／逡逑９０－逦／逡逑８５－逦逦■逡逑？邋７５＿逡逑＾—ｇ逡逑６５邋■逦■逦￣ａ—邋３０ｍｇ逡逑－逦二邋Ｓ逡逑５５－逡逑５0邋１逦■邋ｉ邋■邋ｉ邋＿逦■ｉ邋■邋ｉ￣■￣ｉ￣－￣ｉ—逡逑０逦２０逦４０逦６０逦８０逦１００逦１２０逡逑时逡逑图２．５不同材料投加量对Ｐｂ２＋的去除率逡逑Ｆｉｇ．邋２．５邋Ｒｅｍｏｖａｌ邋ｒａｔｅ邋ｏｆ邋Ｐｂ２＊邋ｂｙ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｄｏｓｉｎｇ邋ｏｆ邋Ｍａｔｅｒｉａｌｓ逡逑图２．６邋（ａ）为Ｆｅ３０４＠Ｔｉ０２对Ｐｂ２＋的吸附等温线，从图中可以看出Ｒ２＝０．９７３２４，说明逡逑材料对Ｐｂ２＋的吸附属于单层吸附

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本文编号：2796973