層狀雙金屬氫氧化物(Layered double hydroxides,LDH)又被稱為水滑石材料,經(jīng)過近幾年的發(fā)展已經(jīng)逐漸進入了商業(yè)化生產(chǎn)階段。LDH主要應(yīng)用于吸附、催化和藥物載體等方面。其中Mg/Al-LDH因其性質(zhì)穩(wěn)定,成本低廉,對環(huán)境污染小以及制備工藝簡單等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于污染物吸附和分離等方面。由于材料本身的局限性,Mg/Al-LDH對污染物的吸附能力較低并且對污染物的處理功能比較單一。因此,Mg/Al-LDH的優(yōu)化和LDH復(fù)合材料的制備對替代傳統(tǒng)吸附材料具有重大的意義。本文主要圍繞Mg/Al-LDH的制備、三元Mg/Al/Fe-LDH的制備以及吸附-光催化LDH復(fù)合材料的制備三個方面開展了以下工作。采用共沉淀法合成Mg/Al-LDH樣品,探究pH值、超聲環(huán)境和堿源種類對樣品形貌和所制備樣品對剛果紅溶液吸附性能的影響。實驗結(jié)果表明:樣品尺寸隨反應(yīng)體系中pH值的增加而增大,但吸附性能隨之下降;在Mg/Al-LDH生長過程中,超聲條件有利于減小樣品尺寸并使樣品形貌變得更加規(guī)則;以氨水和三乙醇胺作為堿源獲得的樣品對剛果紅溶液具有極強的吸附能力,最大吸附容量分別為1000 mg/g和1042.67 mg/g,樣品在10 min左右便可達到最佳吸附效果。此外,以尿素作為堿源采用水熱法獲得了螺旋生長的片狀LDH并通過加入適量的表面活性劑(SDS)獲得了花球狀LDH。采用熱力學(xué)模型對不同形貌的樣品分析發(fā)現(xiàn),樣品的吸附過程中屬于吸熱反應(yīng)。對水熱法獲得的Mg/Al-LDH進行部分陽離子取代,通過Fe(Ⅲ)對Al(Ⅲ)部分取代最終獲得了吸附性能優(yōu)異的三元Mg/Al/Fe-LDH。將Mg/Al/Fe-LDH的吸附性能與同種方法制備的Mg/Al-LDH進行對比,樣品對剛果紅溶液(400 mg/L)的吸附率由72.67%提升至98.56%,Fe(Ⅲ)的引入使LDH對剛果紅溶液的吸附性能明顯提高,樣品最大吸附容量可達943 mg/g,樣品在20 min左右便可達到最佳吸附效果;對Mg/Al/Fe-LDH的重復(fù)使用性測試發(fā)現(xiàn),七次循環(huán)后樣品對剛果紅溶液(500 mg/L)的吸附效率仍在90%以上。Mg/Al/Fe-LDH對濃度為50 mg/L的Cr(Ⅵ)溶液的吸附容量為35.82 mg/g,樣品在30 min左右便可達到最佳吸附效果。此外,通過Fe(Ⅲ)取代Al(Ⅲ)減少了LDH內(nèi)的Al(Ⅲ)含量,這有利于降低LDH在實際使用中的鋁污染。采用水熱法分別獲得了TiO_2@LDH和Cu_2O/LDH復(fù)合材料,將其應(yīng)用于甲基橙溶液的降解,并對可能的降解機理進行了描述。實驗結(jié)果表明,所獲得的復(fù)合材料具有一定的吸附-降解效果。這使得材料在實際應(yīng)用中省去了定期回收和解吸附的環(huán)節(jié),不僅降低了使用成本,對于傳統(tǒng)吸附材料的替代也具有巨大的潛力。
【學(xué)位單位】：齊魯工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB33;X703
【部分圖文】：

圖 1.1 LDH 結(jié)構(gòu)示意圖 (a) LDH 立體結(jié)構(gòu)示意圖 (b) LDH 板層基元 (c) LDH 板層基元結(jié)構(gòu)示意圖 (d) LDH 主體板層結(jié)構(gòu)示意圖 (e) LDH 主體板層結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1.1 所示，圖 1.1(a)表示 LDH 立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖 1.1(d)是 LDH 主體板層的示意圖，通過對板層上的八面體局部放大可得到圖 1.1 (b)和(c)，其結(jié)構(gòu)由二價或三價的中心陽離子和頂點 OH 構(gòu)成的。圖 1.1 (e)是對圖 1.1 (d)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的進一步剖析圖。LDH 的化學(xué)通式為[M2+1-xM3+x(OH)2]x+(An-)x/n·mH2O，式中 M2+、M3+分別是二價、三價金屬陽離子；An-是層間陰離子[6-7]。x 表示 M3+在整個 LDH 中所占的金屬離子物質(zhì)的量的百分比，n 表示了每個陰離子基團所帶的電荷量，m 表示層間水分子的數(shù)目。M3+在板層中的分布密度對 LDH 的吸附性能有直接性影響。以 Mg/Al-CO32--LDH 為例，位于板層上的 Mg2+可以在一定比例范圍內(nèi)被離子半徑相近的 Al3+同晶取代，從而使得 LDH 主體板層帶上正電荷；而層間分布的客體 CO32-可以與層板電荷相平衡，使 LDH 整體呈現(xiàn)電中性。通常情況下，LD的板層之間除存在陰離子基團外還存在一部分客體水分子。

圖 3.1 Mg/Al-LDH 在制備流程圖(A)和實驗裝置圖(B)2.2 不同 pH 下 Mg/Al-LDH 的制備為了探究不同 pH 值對樣品的影響，通過單一變量法進行了如下實驗：（1）取 0.03 mol Mg(NO3)2·6H2O 和 0.01 mol Al(NO3)3·9H2O 各三份并分別入 50 mL 蒸餾水中充分溶解，標記為 A1、A2、A3（合稱 A 液），并將 A 液轉(zhuǎn)至滴液漏斗中備用；（2）取 0.05 mol NaOH 三份并分別溶于 50 mL 蒸餾水中，標記為 B1、B2、（合稱 B 液），并將 B 液轉(zhuǎn)移至雙口梨形漏斗中 60 °C 水浴至溫度均勻；（3）將A液分別以相同滴加速度均勻滴入對應(yīng)的 B液之中，并用2 mol/L 的OH(aq) 調(diào)節(jié)體系的中 pH 值分別為 8、10 和 12，之后將反應(yīng)體系升溫至 80 °C，浴回流 8 h，使目標產(chǎn)物充分晶化；（4）將獲得的產(chǎn)物用蒸餾水洗滌并低速離心（4000 r/min，5 min），之后洗凈的產(chǎn)品在-10 °C 中預(yù)凍 6 h 后轉(zhuǎn)移至冷凍干燥機中凍干，將產(chǎn)物依次命為 MA-LDH1、MA-LDH2和 MA-LDH3。

聲環(huán)境中 Mg/Al-LDH 的制備探究超聲環(huán)境對 Mg/Al-LDH 樣品的影響設(shè)計了如下實驗：）取 0.03 mol Mg(NO3)2·6H2O 和 0.01 mol Al(NO3)3·9H2O 加入分溶解，標記為 A6液，并將 A6液轉(zhuǎn)移至滴液漏斗中備用；）取 0.05 mol NaOH 溶于 50 mL 蒸餾水中，標記為 B6液，并梨形漏斗中 60 °C 水浴至溫度均勻；）將 A 液分別以相同的滴加速度均勻滴入對應(yīng)的 B6液之中，并用(aq) 分別將反應(yīng)體系的 PH 值調(diào)為 10，并將反應(yīng)體系升溫至 充分晶化，整個過程中均需要在超聲條件下進行；）將獲得的產(chǎn)物用蒸餾水洗滌并低速離心（4000 r/min，5 min樣品在-10 °C 中預(yù)凍 6 h 后轉(zhuǎn)移至冷凍干燥機中凍干，并將A-LDH6。）收集樣品，密封儲存。熱法制備 Mg/Al-LDH

【參考文獻】

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本文編號：2832566