层状复合金属氢氧化物的制备、吸附性能及二次资源化利用研究

发布时间：2020-11-01 13:52

　　 随着工业的迅速发展,水污染问题已经得到人们的广泛关注,其中一种主要的污染物来自于有机染料,由于染料的高毒性,难降解及致癌性能够对人们身体健康带来严重危害。近年来,污水处理的方法主要包括物理法(吸附法)、化学法以及生物降解法。然而,在这些处理技术中,吸附法由于其高效、经济、环境友好的优点而被广泛应用于染料污水治理过程中。目前,被广泛应用的吸附材料主要包括活性炭、LDH、沸石分子筛和一些无机材料等。其中,水滑石由于其独特的层间结构,能够高效迅速的吸附水体中的阴离子染料,如刚果红(CR).本研究中,成功制备出一系列LDH功能材料,并将其应用于水体中染料的去除。主要研究内容如下:(1)以CaCl_2·2H_2O、Mg(NO_3)_2·6H_2O、Al(NO_3)_3·9H_2O为原料,采用共沉淀法制备了系列镁/钙比可调的CaMgAl-层状双氢氧化物(LDH)。对合成的CaMgAl-LDH样品的性能进行了表征,结果表明,在阴离子NO_3~-和Cl~?共存的溶液中,NO_3~-比Cl~?优先进入层间,且层间NO_3~-导致层间距明显增大,形成的CaMgAl-LDH产物具有良好的热稳定性。以刚果红(CR)为模拟污染物,研究了CaMgAl-LDH对水溶液中阴离子染料的吸附性能,结果表明,CaMgAl-LDH对CR的吸附行为符合准二级动力学方程,其等温吸附曲线符合Langmuir方程,对吸附过程Gibbs自由能(ΔG~0)、熵(ΔS~0)以及焓(ΔH~0)的计算证明对CR的吸附是自发的吸热反应。CaMgAl-LDH对CR具有优良的吸附性能,其中Ca_8Mg_2Al_5-LDH对CR的吸附效果最好,最大吸附容量为115.5 mg/g,表明制备的CaMgAl-LDH是一种具有良好应用前景的阴离子染料吸附材料。(2)在碳量子点存在下,采用水热法合成了层状中空镁铝层状双氢氧化物微球(HHMs)。采用XRD、SEM、TEM、FT-IR和TG-DTG等手段对制备的样品进行了形貌和结构表征。详细研究了HHMs的生长过程,提出了HHMs分级形成的Ostwald生长机制。研究了HHMs对刚果红(CR)的吸附等温线和吸附动力学。结果表明,朗缪尔模型拟合效果最好,最大吸附容量达到209.6 mg/g。吸附动力学数据遵循二阶动力学模型。热力学参数ΔG~0、ΔH~0和ΔS~0表明,HHMs对CR的吸附过程是吸热自发的。制备的HHMs可作为一种潜在的阴离子染料废水处理吸附剂。(3)通过对吸附过阴离子染料CR的MgAl-LDH回收进行资源化利用,将其作为一种新型阳离子染料吸附材料,探讨其对水体中阳离子染料MB的去除。研究表明,所得材料对MB展现出优异的吸附性能。将吸附过MB后的材料进行干燥回收,还可重复吸附水体中的CR,且具有良好的吸附效果。此外,我们探究了材料对CR和MB的循环吸附性能。结果表明,所制备材料在经过4次间歇吸附循环后仍具有良好的吸附性能,对染料的去处率仍能达到80%以上。(4)以LDH为造孔剂合成一系列碳材料,并将其应用于水体中有机染料亚甲基蓝(MB)的吸附去除。研究表明,LDH不仅使材料的孔径增大,而且增加了其活性比表面,比表面积约为1342.93 m2/g。实验探究了在不同制备条件下制备的材料对MB吸附性能的影响。结果表明,在惰性气氛的煅烧坏境中,LDH添加量为1.5mmol,Mg/Al比例为2:1时,煅烧温度为800 ~oC时,制备所得材料对MB的吸附性能最好。LDH添加量和煅烧温度与材料对MB的吸附性能成正比。
【学位单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X703;O647.3
【部分图文】：

加提高了产物的结晶性，这是由于 Ca2+掺杂增强了主客体之间的且在钙微环境下 Ca2+进入 MgAl-LDH 晶格，导致产物局部成分于沿某一晶轴方向择优定向长大，从而导致产物结晶性有所提高的是，随着反应体系钙离子的加入，产物(003)晶面衍射峰向小明显偏移。图中的谱线 6 为 Ca10Al5-LDH 的 XRD 谱，可以看出、22.88°、34.85°和61.22°处出现4个衍射峰，分别对应Ca2Al1-LD(112)和(020)晶面的特征衍射峰(JCPDS 31 0245)。由于 Ca2+半径g2+半径(0.072nm)，随着体系中 Ca2+掺杂量的增大，Ca2+逐渐取g2+，导致了(003)晶面衍射峰偏移。图中谱线 5 对应的样品(Ca8M 11.42°处出现 1 个较宽的弱衍射肩峰，谱线 2~4 在 2θ为 11.42程度的弱衍射肩峰，这可归因于反应过程中吸收 CO2形成了水DH (Ca8Al4O13CO3·24H2O)[60]。

第二章 CaMgAl-层状双氢氧化物的制备及其对刚果红的吸附性能层间阴离子的选择。由于 Ca2Al1-LDH 合成过程中溶液中 Cl /3NO 的摩尔比为 4/3Ca2Al1Cl-LDH和所得产物Ca2Al1(Cl +NO3 )- LDH的(003)晶面层间距分别为0.78nm 和 0.849nm。通过比较(003)晶面层间距大小，证明3NO 为层间主体阴离子，因此，在制备 Ca2Al1-LDH 过程中，当溶液中同时存在 Cl 和3NO 时，并且在 Cl 过量的情况下，3NO 离子优先进入层间。图 2.2 为 Ca8Mg2Al5-LDH 的 SEM 照片。从图 2 可以看出，Ca8Mg2Al5-LDH具有明显的层间结构。对所制备 LDH 产物中 Ca、Mg 和 Al 的相对含量分析表明Ca、Mg、Al 并未按照理论配比全部进入产物中。表 2.5 为 CaMgAl-LDH 样品中Ca、Mg、Al 含量实际比例测定结果。

1－Mg2Al1-LDH; 2－Ca3.33Mg6.67Al5-LDH; 3－Ca5Mg5Al5-LDH;4－Ca6.67Mg3.33Al5-LDH; 5－Ca8Mg2Al5-LDH; 6－Ca2Al1-LDH.图 2.3 制备的 CaMgAl-LDH 系列样品的红外光谱g. 2.3 FTIR spectra of the as-prepared CaMgAl-LDH series sam样品的 TG DTA 分析2.4为R{nCa2+/n(Ca2++Mg2+)}分别为0、0.33、0.67、0.8时所得CaMgDTA 曲线。从图 2.4a 可见，产物 Mg2Al1-LDH 的 TG 曲线有 2 个失阶段，对应 DTA 曲线在 65~210 ℃、346~521 ℃范围内出现 2 个段脱除物理吸附水和部分层间水分子，第二阶段层板结构被破坏，是层间阴离子和层板羟基的脱除。从图2.4b可见，产物Ca3.33Mg6.67A个明显的质量损失阶段；第 1 个质量损失过程发生在 70~226 ℃范
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本文编号：2865630