电沉积制备多孔轻稀土除磷吸附剂及性能研究

发布时间：2017-11-02 21:32

  本文关键词：电沉积制备多孔轻稀土除磷吸附剂及性能研究

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【摘要】：磷是水体生物所必须的营养元素,水体中磷元素的含量直接反应了藻类生长的优劣。然而当水中磷含量过多时会导致水体富营养化,从而严重危害水体生态系统。因此,在废、污水排放之前进行可控的除磷显得尤为重要。吸附法除磷具有操作简单、污泥少等诸多优势,同时通过对吸附磷之后的吸附剂进行脱附,可以达到循环使用和磷的有效回收的目的。迄今为止,报道的除磷吸附剂的种类和数量较多,研究的重点主要集中在吸附剂材料上。论文针对现有的吸附剂普遍存在对磷的吸附容量低、吸附速率慢或难以分离等不足,采用电沉积作材料制备的方式,制备了一系列纳米结构的多孔稀土吸附剂,对水溶液中的磷进行可控的吸附,开展了以下五个方面的研究:1)多孔氢氧化镨纳米线吸附剂的电沉积制备和除磷性能研究;2)多孔氢氧化镧纳米结构吸附剂的电沉积制备和除磷性能研究;3)多孔氢氧化钕纳米线的电沉积制备吸附剂以及除磷性能;4)多孔二氧化铈纳米线吸附剂电沉积制备和除磷性能研究;5)多孔二氧化铈纳米线阵列吸附剂的电沉积制备和除磷性能的研究。在电沉积制备氢氧化镨纳米线吸附剂和除磷性能研究中,实验采用一步法恒电流制备了具有纳米线形貌和多孔结构的吸附剂。该吸附剂具有较大比表面积100.2 m2/g,独特的多孔结构和表面大量的羟基作为活性位点,使得其具有较高的吸附容量(129.0 mg P/g)和吸附速率快的特点。吸附等温线数据的拟合显示,相比较于Freundlich方程,Langmuir吸附模型的相关性系数更高,说明吸附过程为单分子层吸附;在考察吸附容量随不同时间而变化时发现,准二级动力学方程的相关性系数为0.999,说明吸附遵循准二级动力学方程,显示了吸附过程为化学吸附。范特霍夫方程拟合的吸附热力学数据说明,吸附的过程是自发的、放热的过程。此外,吸附容量对p H的耐受范围较广,在p H为3.0-10.0之间时,吸附剂保持较好吸附效果;共存负一价的阴离子HCO3-,Cl-和NO3-对吸附剂的吸附性能影响较小,而负二价的阴离子CO32-和SO42-的影响较大。在电沉积制备氢氧化镧纳米结构吸附剂和除磷性能研究中,通过调节恒电流制备的电流强度,制备了具有不同形貌的吸附剂。结果显示,在一定电流强度下制备出多孔纳米线结构的氢氧化镧具有较好的吸附效果。通过吸附剂表征发现,该类吸附剂具有较大比表面积119.1 m2/g,独特的多孔结构和表面大量的羟基作为活性位点,使得其具有较快的吸附速率和较高的吸附容量(131.3 mg P/g)。吸附热力学数据的拟合显示,相比较于Freundlich和Dubinin-Radushkevich方程,Langmuir方程的相关性系数更高,说明吸附过程为单分子层吸附;在考察吸附容量随不同时间而变化时发现,准二级动力学方程的相关性系数为0.999,能够对吸附动力学数据进行很好的拟合,显示出吸附过程为化学吸附。吸附热力学数据显示,吸附的过程是自发的、放热的过程。此外,吸附容量随溶液的初始p H影响较小,在p H为3.0-10.0之间时,吸附剂保持较好吸附效果;共存离子负一价的阴离子HCO3-,Cl-和NO3-对吸附剂的吸附性能影响较小,而负二价的阴离子CO32-和SO42-的影响较大,并且离子浓度越大,对吸附性能的影响越大。通过对吸附完成之后的吸附剂进行表征发现,磷被吸附在吸附剂的表面,以稀土的正磷酸盐的形式存在。在合成废水的应用当中,吸附剂表现出优良的吸附效果,说明吸附剂在未来的实际应用当中具有潜在的应用价值。在电沉积制备氢氧化钕纳米结构吸附剂和除磷性能的研究中,首先通过调节恒电流制备的不同铵盐添加剂,制备了具有不同形貌的氢氧化钕纳米结构吸附剂。通过吸附性能的结果显示,具有纳米线结构的氢氧化钕具有较好的吸附效果。对纳米线结构的氢氧化钕吸附剂表征发现,该类吸附剂具有较大比表面107.4m2/g,独特的多孔结构和表面大量的羟基作为活性位点,使得其具有较高的吸附容量(131.3 mg P/g)和较快的吸附速率。吸附热力学数据的拟合显示,相比较于Freundlich和Dubinin-Radushkevich方程,Langmuir方程的相关性系数更高,说明吸附过程为单分子层吸附;在考察吸附容量随不同时间而变化时发现,准二级动力学方程的相关性系数为0.999,能够对吸附动力学数据进行很好的拟合,显示出吸附过程为化学吸附。吸附的范特霍夫方程热力学数据说明,吸附的过程是自发的、放热的过程。此外,在溶液p H为3.0-10.0之间时,吸附剂仍然保持较好的吸附容量,说明吸附随溶液的初始p H影响较小;共存负一价阴离子HCO3-,Cl-和NO3-对吸附剂的吸附性能影响较小,而负二价阴离子CO32-和SO42-的存在对吸附性能影响较大,并且离子浓度越大,对吸附性能的影响越大。在经过3次吸附-脱附再生循环后研究发现,吸附剂可以保持较高的吸附容量,说明该吸附剂具有一定的再生循环利用的价值。在电沉积制备多孔Ce O2纳米吸附剂和除磷性能研究中,实验采用一步法调节恒电流的强度,制备了不同形貌的Ce O2吸附剂。通过吸附性能的结果显示,具有纳米线形貌的Ce O2具有较好的吸附效果。该类吸附剂具有较大比表面积102.7 m2/g,表面大量的羟基作为活性位点和独特的多孔结构,使得其具有较高的吸附容量(136.6 mg P/g)和较快的吸附速率。吸附热力学数据的拟合显示,相比较于Freundlich和Dubinin-Radushkevich方程,Langmuir方程的相关性系数更高,说明吸附过程为单分子层吸附;在考察吸附容量随不同时间而变化时发现,准二级动力学方程的相关性系数为0.999,大于一级动力学的相关性系数,显示出吸附过程为化学吸附。吸附热力学说明,吸附的过程是自发的、放热的过程。此外,吸附容量随溶液的初始p H影响较小,在p H为3.0-10.0之间时,吸附剂保持较好吸附效果;共存阴离子SO42-,Cl-和NO3-对吸附剂的吸附性能影响较小,而负二价的阴离子CO32-和负一价阴离子HCO3-的影响较大并,且离子浓度越大,对吸附性能的影响越大。在经过3次吸附-脱附再生循环后研究发现,吸附剂可以保持较高的吸附容量,说明该吸附剂具有一定的再生循环利用的价值。在电沉积制备二氧化铈纳米线阵列吸附剂和除磷性能研究中,实验采用调节恒电位的强度,制备了不同形貌的Ce O2吸附剂。通过吸附性能的结果显示,具有纳米线阵列形貌的Ce O2具有较好的吸附效果。该吸附剂具有较大比表面积110.2 m2/g,独特的多孔结构和表面大量的羟基作为活性位点,使得其具有较高的吸附容量(136.6 mg P/g)和较快的吸附速率。吸附热力学数据的拟合显示,相比较于Freundlich和Dubinin-Radushkevich方程,Langmuir方程的相关性系数更高,说明吸附过程为单分子层吸附;在考察吸附容量随不同时间而变化时发现,准二级动力学方程的相关性系数为0.999,大于一级动力学的相关性系数,显示出吸附过程为化学吸附。吸附热力学说明,吸附的过程是自发的、放热的过程。此外,吸附容量随溶液的初始p H影响较小,在p H为3.0-10.0之间时,吸附剂保持较好吸附效果;共存离子SO42-,Cl-和NO3-对吸附剂的吸附性能影响较小,而负二价的阴离子CO32-和负一价的阴离子HCO3-的影响较大,并且离子浓度越大,对吸附性能的影响越大。在经过3次吸附-脱附再生循环后研究发现,吸附剂可以保持较高的吸附容量,说明该吸附剂具有一定的再生循环利用的价值。
【关键词】：稀土 多孔材料 电沉积 吸附 除磷
【学位授予单位】：暨南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703;O647.33
【目录】：

• 摘要3-6
• Abstract6-13
• 第一章 绪论13-26
• 1.1 研究背景13-15
• 1.1.1 水体富营养化及其危害13-14
• 1.1.2 磷的概况14-15
• 1.2 国内外污水除磷的研究现状15-17
• 1.2.1 化学沉淀法15
• 1.2.2 生物法15-16
• 1.2.3 电解法16
• 1.2.4 膜技术16
• 1.2.5 结晶法16-17
• 1.3 吸附法除磷的原理及其优势17
• 1.4 常用的吸附剂17-21
• 1.4.1 沸石18
• 1.4.2 天然粘土材料18-19
• 1.4.3 人工合成材料19-20
• 1.4.4 稀土元素20-21
• 1.5 选题意义及研究内容21-22
• 1.6 参考文献22-26
• 第二章 实验设计与技术26-32
• 2.1 实验试剂、原料与仪器26-27
• 2.2 吸附剂的表征27-28
• 2.3 静态吸附除磷实验28-29
• 2.4 吸附数据的计算机公式29-30
• 2.5 吸附数据的拟合模型30-31
• 2.6 参考文献31-32
• 第三章 恒电流制备氢氧化镨及其除磷性能32-49
• 3.1 引言32
• 3.2 实验方法32-34
• 3.2.1 氢氧化镨的电化学制备32-33
• 3.2.2 静态吸附除磷实验33-34
• 3.3 吸附剂的表征结果分析34-37
• 3.4 氢氧化镨吸附剂的除磷性能研究37-44
• 3.4.1 吸附剂的除磷最优去除率37-38
• 3.4.2 Langmuir和Freundlich方程拟合38-39
• 3.4.3 吸附量与文献值比较39-40
• 3.4.4 吸附热力学分析40-41
• 3.4.5 吸附动力学41-42
• 3.4.6 pH对吸附性能的影响42-44
• 3.4.7 干扰离子对吸附性能的影响44
• 3.5 本章小结44-45
• 3.6 参考文献45-49
• 第四章 恒电流制备氢氧化镧及其除磷性能49-71
• 4.1 引言49-50
• 4.2 实验方法50-51
• 4.2.1 纳米结构的氢氧化镧的电化学制备50
• 4.2.2 静态吸附除磷实验50-51
• 4.3 吸附剂的表征结果分析51-56
• 4.4 吸附剂氢氧化镧纳米线的除磷性能56-67
• 4.4.1 吸附等温线56-57
• 4.4.2 吸附量与文献值比较57-58
• 4.4.3 吸附热力学分析58-59
• 4.4.4 吸附动力学分析59-61
• 4.4.5 pH对吸附性能的影响61-63
• 4.4.6 干扰离子对吸附性能的影响63-64
• 4.4.7 吸附剂氢氧化镧用于实际废水除磷64-65
• 4.4.8 吸附完成后对吸附剂氢氧化镧的表征65-67
• 4.5 本章小结67
• 4.6 参考文献67-71
• 第五章 恒电流制备氢氧化钕及其除磷性能71-94
• 5.1 引言71
• 5.2 实验方法71-73
• 5.2.1 纳米结构的氢氧化钕的电化学制备71-72
• 5.2.2 静态吸附除磷实验72-73
• 5.3 吸附剂的表征结果分析73-78
• 5.4.氢氧化钕吸附剂的除磷性能研究78-90
• 5.4.1 吸附剂的除磷最优去除率78-79
• 5.4.2 吸附热力学79-80
• 5.4.3 吸附量与文献值比较80-81
• 5.4.4 吸附热力学分析81-84
• 5.4.5 pH对吸附性能的影响84-86
• 5.4.6 干扰离子对吸附性能的影响86-87
• 5.4.7 吸附剂氢氧化钕的脱附动力学87-89
• 5.4.8 吸附-脱附循环研究89-90
• 5.5 本章小结90
• 5.6 参考文献90-94
• 第六章 恒电流制备二氧化铈及其除磷性能94-115
• 6.1 引言94-95
• 6.2 实验方法95-96
• 6.2.1 纳米结构的二氧化铈的电化学制备95
• 6.2.2 静态吸附除磷实验95-96
• 6.3 吸附剂的表征结果分析96-99
• 6.4 CeO_2吸附剂的除磷性能研究99-110
• 6.4.1 吸附剂的除磷最优去除率99-100
• 6.4.2 吸附热力学100-101
• 6.4.3 吸附量与文献值比较101-102
• 6.4.4 吸附热力学分析102-105
• 6.4.5 pH对吸附性能的影响105-107
• 6.4.6 干扰离子对吸附性能的影响107-108
• 6.4.7 吸附剂二氧化铈的脱附动力学108-110
• 6.4.8 吸附-脱附循环研究110
• 6.5 本章小结110-111
• 6.6 参考文献111-115
• 第七章 恒电位制备二氧化铈及其除磷性能115-132
• 7.1 实验方法115-116
• 7.1.1 纳米结构的二氧化铈的电化学制备115
• 7.1.2 静态吸附除磷实验115-116
• 7.2 吸附剂的表征结果分析116-119
• 7.3.CeO_2吸附剂的除磷性能研究119-130
• 7.3.1 吸附剂的除磷最优去除率119
• 7.3.2 吸附热力学119-121
• 7.3.3 吸附量与文献值比较121-122
• 7.3.4 吸附热力学分析122-125
• 7.3.5 pH对吸附性能的影响125-127
• 7.3.6 干扰离子对吸附性能的影响127-128
• 7.3.7 吸附剂二氧化铈纳米线阵列的脱附动力学128-129
• 7.3.8 吸附-脱附循环研究129-130
• 7.4 本章小结130-131
• 7.5 参考文献131-132
• 第八章 总结与展望132-134
• 8.1 总结132
• 8.2 展望132-134
• 博士期间发表论文134-135
• 致谢135

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