介孔硅酸钙的合成、改性及其对重金属离子的吸附性能

发布时间：2017-06-28 14:02

  本文关键词：介孔硅酸钙的合成、改性及其对重金属离子的吸附性能，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：重金属废水已对环境产生了严重污染,严重威胁到人们的身体健康,因此,对重金属废水污染的治理已刻不容缓。与传统重金属废水处理方法比较,吸附法处理工艺简单,操作方便,处理成本较低,适用于大规模重金属废水处理和废水的深度处理,是一种具有广阔推广应用价值的重金属废水处理方法。其关键在于吸附剂的性能。研发新型高效吸附剂对提高重金属废水处理效果具有重要实际意义。本研究先采用模板法合成介孔硅酸钙,然后对其进行胺基化和巯基化改性;系统考察了模板剂的种类对介孔硅酸钙合成的影响,介孔硅酸钙对重金属离子的吸附性能和解吸再生性能;初步研究研究了其吸附动力学和热力学。(1)以硝酸钙和硅酸钠为原料,通过模板法合成介孔硅酸钙,并考察四种模板剂:十二烷基磺酸钠、P123、十六烷基三甲溴化铵以及十六烷基三甲溴化铵和四甲基氢氧化胺混合模板剂对介孔硅酸钙孔径,比表面积和形貌的影响。结果表明:以十六烷基三甲溴化铵为模板剂合成的介孔硅酸钙比表面积最大为158.13m2·g-1,孔径为8~40nm,氮气吸附脱附曲线的回滞环为H3型,表明介孔的形成是由颗粒堆积而成,这在扫描电镜中得到进一步的证实;红外图谱和X-射线衍射显示合成的介孔硅酸钙为水化硅酸钙,表面含有大量的羟基,这为硅酸钙的改性提供了改性位点。(2)以十六烷基三甲溴化铵为模板合成的介孔硅酸钙(MCSC)作为改性基体,通过后接枝法,加入两种硅烷偶联剂:3-氨基丙基三乙氧基硅烷和(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷作为改性剂,合成出两种功能化介孔硅酸钙:氨基化硅酸钙(MCSC-NH2)和巯基化硅酸钙(MCSC-SH)。采用红外光谱、能谱、热重分析对改性硅酸钙进行表征,并通过X-射线衍射、氮气吸附脱附仪、扫描电镜和透射电镜对改性前后介孔硅酸钙的孔径,比表面积和形貌变化进行表征。结果表明:改性后的介孔硅酸钙中N和S元素含量分别为1.988%和0.538%,说明改性介孔硅酸钙成功合成;改性之后的介孔硅酸钙的XRD图谱和未改性的介孔硅酸钙的图谱相同,改性过程晶态稳定;MCSC-NH2与MCSC-SH的比表面积分别减少了43 m2·g-1和28 m2·g-1。(3)以模拟含Pb2+、Cu2+、Cd2+和Cr3+废水为处理对象,MCSC、MCSC-NH2和MCSC-SH为吸附剂,系统考察了其对Pb2+、Cu2+、Cd2+和Cr3+的吸附性能,以及再生性能,并与活性炭进行了比较。结果表明:MCSC、MCSC-NH2和MCSC-SH的投加量为10 mg时处理效果最好;在温度为298 K时,MCSC-NH2和MCSC对四种重金属离子的吸附量顺序为:Pb2+Cu2+Cd2+Cr3+;MCSC-SH对四种重金属离子的吸附量顺序为:Pb2+Cd2+Cu2+Cr3+;3种介孔吸附剂在吸附3-8 h后基本达到吸附平衡,介孔硅酸钙对重金属离子吸附速率大于改性介孔硅酸钙;四种吸附剂对Pb2+的吸附量顺序为:MCSC-NH2MCSC-SHMCSCAC;采用0.1 mol·L-1的三乙烯四胺溶液,对吸附后的介孔吸附剂进行脱附,经过5次再生后MCSC-NH2、MCSC-SH和MCSC三者的吸附量分别减少了0.335 mg·g-1、0.143 mg·g-1和0.541mg·g-1,改性有助于提高介孔硅酸钙的再生能力。(4)采用曲线拟合的方法,初步研究了吸附动力学和热力学。结果表明:等温吸附曲线符合Langmuir等温吸附模型;根据Langmuir公式计算出其对重金属离子的饱和吸附量顺序为:MCSC-NH2MCSC-SHMCSC,表明改性后的硅酸钙提高了对重金属离子的吸附能力;以MCSC-NH2和MCSC为吸附剂的吸附量顺序为:Pb2+Cu2+Cd2+Cr3+,以MCSC-SH为吸附剂的吸附量顺序为Pb2+Cd2+Cu2+Cr3+;三种硅酸钙对重金属离子的吸附符合准二级吸附速率方程和粒子扩散模型,此过程由膜扩散和内扩散控制;改性后的MCSC-NH2和MCSC-SH对重金属离子的吸附为吸热反应,为化学吸附,升温对吸附有利;而未改性的MCSC对重金属离子的吸附为放热反应,物理吸附。总之,本研究合成的介孔硅酸钙对Pb2+、Cu2+、Cd2+和Cr3+等重金属离子具有优良的吸附性能,具有广阔的应用前景。
【关键词】：模板法 介孔硅酸钙 功能化 重金属 吸附
【学位授予单位】：湖南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ132.32;O647.33
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-29
• 1.1 重金属污染现状和危害13-16
• 1.1.1 重金属的污染状况13-14
• 1.1.2 重金属污染的来源14-15
• 1.1.3 重金属污染的危害15-16
• 1.2 常见重金属的处理方法16-20
• 1.2.1 化学去除法17-18
• 1.2.2 物理去除法18-19
• 1.2.3 生物法19-20
• 1.3 重金属吸附剂的研究概况20-22
• 1.3.1 天然无机吸附剂20-21
• 1.3.2 天然有机吸附剂21
• 1.3.3 合成无机吸附剂21
• 1.3.4 合成有机吸附剂21-22
• 1.4 介孔材料的研究进展22-25
• 1.4.1 介孔吸附材料的分类22-23
• 1.4.2 硅基吸附材料的合成23-24
• 1.4.3 改性介孔材料的合成方法24-25
• 1.5 介孔吸附材料在重金属废水处理中的应用25
• 1.6 本文研究的目的和意义25-26
• 1.7 本文研究的主要内容26-29
• 第二章 介孔硅酸钙的合成与表征29-37
• 2.1 前言29
• 2.2 实验部分29-30
• 2.2.1 反应原理29-30
• 2.2.2 实验试剂和仪器30
• 2.2.3 介孔硅酸钙的制备30
• 2.2.4 分析方法30
• 2.3 结果与讨论30-35
• 2.3.1 样品的X-射线衍射图谱30-31
• 2.3.2 样品的红外光谱31-32
• 2.3.3 样品的形貌显微表征32-33
• 2.3.4 样品的BET表征33-35
• 2.4 本章小结35-37
• 第三章 功能化介孔硅酸钙的合成与表征37-47
• 3.1 前言37
• 3.2 实验部分37-39
• 3.2.1 实验原理37-38
• 3.2.2 实验试剂和仪器38
• 3.2.3 功能化介孔硅酸钙的合成38-39
• 3.2.4 分析方法39
• 3.3 结果与讨论39-46
• 3.3.1 改性介孔硅酸钙的红外图谱39-40
• 3.3.2 功能化介孔硅酸钙的能谱分析40-41
• 3.3.3 改性介孔硅酸钙的热重分析41-42
• 3.3.4 改性介孔硅酸钙的XRD图谱42-43
• 3.3.5 功能化介孔硅酸钙的BET表征43-44
• 3.3.6 功能化介孔硅酸钙的SEM和TEM表征44-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第四章 三种介孔硅酸钙对重金属离子的吸附性能47-63
• 4.1 前言47
• 4.2 实验部分47-49
• 4.2.1 实验试剂和仪器47-48
• 4.2.2 吸附实验48-49
• 4.3 结果与讨论49-60
• 4.3.1 投加量对重金属的去除效果49-52
• 4.3.2 吸附温度对重金属的去除效果52-56
• 4.3.3 吸附时间对重金属离子吸附的影响56-59
• 4.3.4 介孔硅酸钙与活性炭吸附性能比较59
• 4.3.5 再生回收实验59-60
• 4.4 本章小结60-63
• 第五章 介孔硅酸钙对重金属离子的吸附机理63-75
• 5.1 前言63
• 5.2 吸附模型63-65
• 5.2.1 吸附热力学模型63-64
• 5.2.2 吸附动力学模型64-65
• 5.3 模拟结果和讨论65-73
• 5.3.1 吸附热力学拟合65-69
• 5.3.2 吸附动力学拟合69-73
• 5.4 本章小结73-75
• 第六章 全文总结和展望75-77
• 参考文献77-87
• 致谢87-89
• 附录89

【参考文献】

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本文编号：494069