【摘要】：全球水体中砷污染的形势已十分严峻,开展砷污染水体的治理工作已刻不容缓。吸附法是水体中砷污染去除的一种重要手段,具有经济安全、简单易行、吸附效果好、不产生或很少产生二次污染、环境友好等优点,因而受到相关人士的普遍关注。SBA-15由于其规整的介孔孔道、较高的比表面积和合适的水热稳定性等优点而非常适用于吸附剂体系。但纯SBA-15的表面是电中性和化学惰性的,不具备吸附砷的能力,必须对其进行改性以提高砷的吸附性能。考虑到活性氧化铝对砷的高效吸附性能,本论文将着重考察铝的掺杂对SBA-15的改性(Al-SBA.15),系统研究了介孔Al-SBA-15对水溶液中As(V)的吸附行为和吸附特征,考察了焙烧温度和铝负载量对A1-SBA-15材料微观结构和物理化学性质的影响,及与As(V)吸附的关联,在此基础上深入的研究了Al-SBA-15上As(V)吸附的机理。本研究所取得的结论(成果)归纳如下：1.A1-SBA-15对As(V)的吸附中,铝氧化合物才是As(V)去除的活性吸附物种,SBA-15起载体的作用,它较大的比表面积和孔体积有利于铝氧化合物的高度分散以提供更多的活性位,而且其规整的介孔孔道有利于吸附质五价砷离子(或分子)的顺畅通行。Al-SBA-15材料上存在不同铝配位环境的铝氧化合物(A1O6, A105, AlO4, AlO3),这些铝氧化合物可产生数量巨大的终端A1-OH功能基团和不同的酸性中心,正是这些终端Al-OH和酸性中心共同组成了Al-SBA-15上As(V)吸附的活性中心。2.考察了焙烧温度对Al-SBA-15吸附剂样品物理化学性质的影响,及与As(V)吸附的关联,得出最佳的焙烧温度是400℃。焙烧是吸附剂制备中一个重要的环节,它有效地促使铝硝酸铝前驱体的完全分解,保证了Al-SBA-15材料上铝氧化合物的成功形成。高温煅烧一方面导致了Al-SBA-15材料比表面积和孔体积的严重下降,和介孔孔道的部分坍塌；另一方面不仅促使了终端Al-OH的脱羟基脱水反应,而且使A104上的Br(?)nsted酸性质子的直接断裂或与临近的-OH发生不完全脱水反应,从而使铝往低配位环境转化,使Al-SBA-15材料的酸性中心数量下降。总体说来,高温煅烧大幅度降低了Al-SBA-15材料上活性吸附中心(终端A1-OH和酸性中心)的数量和材料的比表面积,使介孔孔道发生坍塌,最终使Al-SBA-15材料对As(V)的吸附性能严重下降。对于700℃煅烧的Al-SBA-15,严重的孔坍塌阻碍了吸附质五价砷离子的通行,使孔扩散成为该吸附剂上As(V)吸附的主要速率决定步骤。3.考察了铝的负载量对Al-SBA-15吸附剂样品微观结构和物理化学性质的影响,及与As(V)吸附的关联,得出最佳的铝负载量为10%。铝负载量的增加一方面可有效提高Al-SBA-15样品上铝氧化合物的总量,使活性吸附中心的数量得到有效提高；另一方面则使Alx-SBA-15样品比表面积和孔体积下降,以及导致部分介孔孔道的堵塞；而且,过度提高铝的负载量还会导致铝氧化合物在SBA-15表面的重叠排布,可能导致终端Al-OH功能基团与临近-OH基团的脱羟基脱水反应,使铝往低配位环境转变,最终导致终端Al-OH功能基团的有效利用率和活性吸附中心的总量的降低。在铝负载量较低的情况下提高铝的负载量,上述的正面因素占据主导地位,从而使Alx-SBA-15吸附剂上As(V)的去除效率随着铝负载量的增加而提高；在铝负载量较高的情况下提高铝的负载量,上述的负面因素将占据主导地位,从而使Alx-SBA-15吸附剂上As(V)的去除效率随着铝负载量的增加反而下降；当铝的负载量为10%时,正反面因素将达到一个平衡,所以,Al10-SBA-15吸附剂上As(V)的去除效率最高。4.在上述最优化的制备条件下(焙烧温度：400℃,铝负载量：10%)所得到的Al-SBA-15吸附剂材料(Al10-SBA-15400)结合并强化了SBA-15和活性氧化铝两者的优势,具有较高的比表面积和孔体积,拥有规整的六方相介孔孔道,并实现了铝在SBA-15上的高度分散。因而,它在一个较宽的pH范围内(2.0到8.2)表现出优异的As(V)吸附性能,最高的饱和吸附容量可达1977mg/gAl。尤其重要的是,在近中性(pH=6.6)环境下,可将含砷较低(≤2.235mg/L)的水体处理到砷含量低于10μg/L,使其满足WHO规定的安全饮用水的要求。5Al10-SBA-15400对As(V)的吸附是一个以物理吸附为主的,自发的、吸热的过程,提高吸附温度有利于As(V)的去除；Al10-SBA-15400对不同初始浓度的As(V)的吸附能很好地与Langmuir等温式方程拟合,吸附动力学都符合准二级动力学方程；膜扩散和孔扩散共同作用于Al10-SBA-15400 上 As(V)吸附的速率决定步骤；共存阴离子NO3-和SO42-对Al10-SBA-15400上As(V)的吸附影响较小,但PO43-和F-的存在会使其吸附效果急剧下降。6.通过对不同酸性环境中溶液pH随吸附过程的变化研究,和对As(V)物种在不同pH下的存在形式描述,本论文提出了相应的吸附机理。1)对于A106和A105：在初始pH=2.0时,H3AsO4通过氢键被未质子化的A1-OH吸附,而H2AsO4-则通过静电作用被质子化后的[A1-OH2]+中心吸附；当溶液初始pH为6.6和9.9时,H2As04和HAsO42离子一方面通过静电作用被酸性中心和质子化后的[Al-OH2]+中心吸附,另一方面则通过离子交换作用替换OH-离子而被碱性化的酸性中心吸附。2)对于AlO4,在初始pH=2.0时,Bronsted酸性中心选择性吸附溶液中的H2As04离子；当溶液初始pH为6.6和9.9时,同样,H2As04和HAsO42离子一方面通过静电作用被酸性中心吸附,另一方面则通过离子交换作用替换OH-离子而被碱性化的酸性中心吸附。3)对于纯的SBA-15, H3As04在溶液pH=2时通过氢键作用被电中性的Si-OH基团吸附,而当溶液处于近中性和碱性环境时,因为静电排斥作用,SBA-15几乎不吸附溶液中的五价砷酸根离子。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X52;TB383.4
【参考文献】
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1 ;环境中砷的污染与自净[J];北京师范大学学报(自然科学版);1975年01期
2 ;Removal of Arsenic(V) from Aqueous Solutions by Lanthanum-loaded Zeolite[J];Acta Geologica Sinica(English Edition);2008年05期
3 许晓路，申秀英;半连续活性污泥法对污水中五价砷的去除[J];环境科学与技术;1995年03期
4 庄明龙,柴立元,闵小波,于霞;含砷废水处理研究进展[J];工业水处理;2004年07期
5 赵红建;马富;;磷酸介质体系中合成Al-SBA-15介孔分子筛的研究(英文)[J];材料导报;2012年14期
6 李曼尼;刘晓飞;江雅新;杨睿媛;吴瑞凤;;改性斜发沸石在水处理中的应用[J];环境化学;2007年01期
7 陈维芳;程明涛;张道方;;CTAC改性活性炭去除水中砷(V)的柱实验吸附和再生研究[J];环境科学学报;2012年01期
8 许晓路;As（Ⅲ）对活性污泥处理城市污水影响的动态模拟研究[J];环境科学学报;1995年04期
9 ;One-step direct synthesis of mesoporous aluminosilicates Al-SBA-15 with cage-like macropores by using micrometer-sized aluminum balls[J];Science in China(Series B:Chemistry);2009年08期
10 姜海钰;荆玉姝;高莹;张大磊;;活性氧化铝吸附水中砷的动态试验研究[J];青岛理工大学学报;2014年02期
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1 韩彩芸;铝基介孔吸附材料的合成与As（Ⅴ）吸附性能研究[D];昆明理工大学;2013年
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2756131
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