磁性纳米四氧化三铁及其复合材料吸附磷性能研究

发布时间：2020-08-31 13:28

　　近年来,水体富营养化已成为我国主要环境问题之一,磷是引起水体富营养化的重要因素,因而迫切需要采取有效方法来降低水体中磷浓度。目前,水体除磷方法主要有化学沉淀法、生物法、和吸附法等,但这些方法都很难达到总磷排放标准(0.1 mg·L-1)。近年来,纳米氧化铁(Fe3O4)用于废水处理受到广泛关注。因其具有极高的吸附活性,价廉、环境友好并且可磁性分离的特点,被认为是水体除磷方面最具有应用前景的方法之一。但是纳米Fe3O4由于磁性偶极矩相互吸引,在水溶液中容易发生团聚,导致比表面积减少、吸附活性位点降低、吸附能力下降,使其在应用上受到了限制。为了解决这个问题,需要对纳米Fe3O4进行改性,通过表面修饰或以多孔材料为载体制备纳米氧化铁复合材料是行之有效的手段。基于此,本论文采用共沉淀法制备了表面修饰聚乙烯亚胺(PEI)的纳米Fe3O4,另外利用来源丰富、价格低廉的生物炭(BC)作为载体,制备了负载型纳米Fe3O4。利用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、Zeta电位、BET比表面积及振动样品磁力(VSM)等分析方法对所制备的材料进行表征。同时将上述材料应用于水体中磷酸根的吸附,对影响吸附的因素、吸附过程的动力学和热力学特性以及吸附的机制进行了研究。论文主要研究内容及结果包含以下几个部分:(1)以FeCl3·6H20和FeSO4·7H20为铁前驱体盐,采用共沉淀法制备纳米Fe3O4,表征结果显示所得纳米Fe3O4为尖晶石结构,颗粒呈类球状,粒径在20 nm左右,比表面积为47.32 m2·g-1,等电位点约为7,饱和磁化强度达到70 emu·g-1。将制备的纳米Fe3O4应用于除磷性能研究,结果发现吸附条件为:200 mg吸附剂剂量、磷酸根初始浓度为50mg·L-1,pH=3,温度为25℃,转速为200r·min-1,在此条件下,Fe3O4对磷酸根的吸附效率达到73.01%。根据实验所得数据建立Fe3O4吸附磷动力学及热力学关系,Fe3O4吸附磷过程较好的满足准二级动力学模型及Langmuir吸附等温方程。并考察了纳米Fe304在不同浓度NaOH溶液中的解吸附效率及Fe3O4的重复利用性,用c(NaOH)为2.0 mol·L-1的溶液对吸附磷饱和后的Fe3O4进行解析,解析效率达到65%,Fe3O4重复利用性较差,四次重复使用后吸附效率降为30%。(2)采用共沉淀法制备PEI改性的纳米Fe3O4复合材料(Fe3O4/PEI)。结果显示PEI修饰提高了纳米Fe3O4在水中的分散性和稳定性,同时也增强了其表面正电荷。进而提高了纳米Fe3O4对磷酸根的吸附效率、解吸附效率及重复利用性。与裸的纳米Fe3O4相比,对磷酸根的吸附效率山73.01%提升到91%,解吸附效率从65%增至84%,第四次重复利用时吸附效率还能保持78%。数据拟合结果表明吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir吸附等温方程,对磷酸根的最大吸附量为29.88 mg·g-1。(3)制备生物炭负载的纳米四氧化三铁(Fe3O4/BC)复合材料,结果表明载体负载后纳米Fe3O4的分散性和稳定性都得到提高。纳米Fe3O4颗粒呈球形,均匀散布在生物炭表面,Fe3O4/BC的比表面积达到176.83m2·g-1。该材料能高效吸附水中的磷酸根,吸附效率可提高到92.14%。其吸附磷的机制包括配位体交换和静电吸引,吸附过程较好地符合准二级动力学模型。此外Fe3O4/BC具有良好的解析性能,解析效率达到80%。Fe3O4/BC重复利用性也得到提高,在第4次利用后还能保持75%以上的吸附效率。综合以上结果,通过PEI的表面修饰和生物炭的负载,提高了纳米Fe3O4的稳定性和分散性,在水体除磷方面具有良好的应用前景。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ138.11;TQ424;X52
【部分图文】：

磁分离

１丨卜逦ｌ逦」逦．逦、■逡逑２逦４逦６逦８逦１０逡逑ｐＨ逡逑阁３．３邋Ｆｅ；０４邋Ｚｅｔａ屯位随ｐＨ变化逡逑Ｆｉｇ．３．３邋Ｚｅｔａ邋ｐｏｔｅｎｔｉａｌ邋ｏｆ邋Ｆｅ．ｉＯ－ｉ邋ｗｉｔｈ邋ｐＨ逡逑表面积分析逡逑４吸附剂比表Ｉｆｌ丨枳足影响吸附效率的重要因素。纳米Ｆｅ３０４分析仪在低温７７Ｋ下，通过Ｎ２吸附脱附测定，实验测得纳邋ｍ２－ｇ＿１。逡逑征逡逑液屮的纳米Ｆｅ３０４么：磁场作用下能实现快速分离，如图３．４样品磁力计测定了邋Ｆｅ３0４的磁滞Q嬒撸峁缤迹常邓尽Ｃ飨缘闹秃蠡罚ǎ停龋欤铮铮穑谕獬。欤希耄希宓剑欤希耄希宓南邊K本；Ｉ合，没有出现磁滞现象，磁滞曲线呈现“Ｓ”型，，丨！；样品饱和磁化强度达到／邋７０邋ｅｎｕｒｇ－１。逡逑

浓度,吸附效率,吸附率,初始浓度

为了考察初始磷浓度对吸附效率的影响，设置磷浓度为１０、２０、５０、７５、１００邋ｍｇ－Ｌ－１，逡逑在体系ｐＨ＝３，体积为ｌＯＯｍＬ，温度为２５°Ｃ，转速为２００ｒｍｉｎ＿１下，考察初始磷浓度对逡逑２００邋ｍｇ邋Ｆｅ３０４吸刚磷的影响，实验结果见图３．７。逡逑Ｉ逦Ｍ）＇ｌ／逦＾ｌＯ．ｎｓ／１．逡逑Ｆ－逦２０邋ｍｇ／Ｌ逡逑Ｊ逦，？＿／／，逦￣＾￣５０邋ｍ＂／Ｌ逡逑１／逦—４－１００邋ｍｇ／Ｌ逡逑0邋逦１逦１逦１逦１逦１逦逡逑０逦３Ｕ逦６０逦９０逦１２０逦１５０逦１８０逡逑ｔ／ｍｉｎ逡逑丨？１邋３．７磷初始浓度对吸附率影响逡逑Ｆｉｇ．３．７邋Ｅｆｆｅｃｔ邋ｏｆ邋ｐｈｏｓｐｈａｔｅ邋ｉｎｉｔｉａｌ邋ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｎ邋ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ邋ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ逡逑１８逡逑

吸附率,浓度,吸附效率,初始浓度

逦１８０逡逑ｔ邋／ｍｉｎ逡逑图３．６邋ｐＨ对Ｆｅ３0４吸附磷的影响逡逑Ｆｉｇ．３．６邋Ｅｆｆｅｃｔ邋ｏｆ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ邋ｐＨ邋ｏｎ邋ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ邋ｂｙ邋Ｆｅ３0４逡逑３．３．２．２初始淲浓度对Ｆｅ３（）４吸附磷的影响逡逑为了考察初始磷浓度对吸附效率的影响，设置磷浓度为１０、２０、５０、７５、１００邋ｍｇ－Ｌ－１，逡逑在体系ｐＨ＝３，体积为ｌＯＯｍＬ，温度为２５°Ｃ，转速为２００ｒｍｉｎ＿１下，考察初始磷浓度对逡逑２００邋ｍｇ邋Ｆｅ３０４吸刚磷的影响，实验结果见图３．７。逡逑Ｉ逦Ｍ）＇ｌ／逦＾ｌＯ．ｎｓ／１．逡逑Ｆ－逦２０邋ｍｇ／Ｌ逡逑Ｊ逦，？＿／／，逦￣＾￣５０邋ｍ＂／Ｌ逡逑１／逦—４－１００邋ｍｇ／Ｌ逡逑0邋逦１逦１逦１逦１逦１逦逡逑０逦３Ｕ逦６０逦９０逦１２０逦１５０逦１８０逡逑ｔ／ｍｉｎ逡逑丨？１邋３．７磷初始浓度对吸附率影响逡逑Ｆｉｇ．３．７邋Ｅｆｆｅｃｔ邋ｏｆ邋ｐｈｏｓｐｈａｔｅ邋ｉｎｉｔｉａｌ邋ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｎ邋ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ邋ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ逡逑１８逡逑

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