發(fā)布時(shí)間：2020-07-22 03:59

【摘要】：自然環(huán)境中日益加劇的鉛污染對(duì)生態(tài)安全和人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。吸附法是去除水體中鉛離子的一種簡(jiǎn)單有效的方法。二氧化錳吸附劑由于其比表面積大、表面吸附位點(diǎn)數(shù)量多、吸附能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用來去除水中的鉛離子。二氧化錳是由[MnO6]晶胞堆疊而成,在不同條件下生成的二氧化錳具有不同晶型結(jié)構(gòu)。二氧化錳不同的晶型結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其表面化學(xué)性質(zhì)及吸附特性存在較大差異,而有關(guān)二氧化錳的晶型結(jié)構(gòu)對(duì)其吸附特性影響的研究還較少。因此,本研究合成了不同晶型結(jié)構(gòu)的二氧化錳吸附劑,并利用柱支撐及等離子體技術(shù)和功率超聲技術(shù)改善二氧化錳吸附劑的結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì),利用X射線衍射儀(XRD)、透射電鏡(TEM)、傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IR)、X射線光電子能譜儀(XPS)、X射線熒光光譜儀(XRF)、Zeta電位儀以及氮?dú)馕?脫附曲線等對(duì)吸附劑進(jìn)行表征,通過靜態(tài)吸附和動(dòng)態(tài)吸附研究不同晶型結(jié)構(gòu)及改性二氧化錳吸附劑對(duì)水中鉛離子的吸附特性,探討二氧化錳的晶型結(jié)構(gòu)及表面化學(xué)性質(zhì)對(duì)鉛離子吸附的影響,并考察了水化條件如溶液pH、離子強(qiáng)度、腐殖酸等對(duì)鉛離子吸附的影響。主要研究結(jié)果如下:1.合成了 α-MnO2、β-MnO2、γ-MnO2、δ-Mn02 和 λ-MnO2 五種二氧化錳,分析了這五種二氧化錳的結(jié)構(gòu)及表面化學(xué)性質(zhì)的差異,并分別考察了其對(duì)鉛離子的吸附性能。XRD、TEM和FT-IR的表征結(jié)果說明α-MnO2、β-MnO2、γ-MnO2是一維的納米棒或納米線狀結(jié)構(gòu),δ-MnO2是二維的納米層狀結(jié)構(gòu),λ-MnC2是三維的立方結(jié)構(gòu)。在相同pH條件下,δ-MnO2的比表面積最大,表面電勢(shì)最低。二氧化錳表面羥基數(shù)量依次為δ-MnO2α-MnO2γ-MnO2λ-Mn02β-MnO2。其原因主要是不同二氧化錳中Mn4+的比例和比表面積存在差異導(dǎo)致的。δ-Mn02對(duì)鉛離子的吸附容量最大,而利用比表面積標(biāo)化后發(fā)現(xiàn),β-MnO2的吸附位點(diǎn)密度最高,而δ-MnO2的最低。鉛離子主要通過靜電相互作用吸附到吸附劑表面,且吸附不受離子強(qiáng)度的影響。鉛離子吸附后在α-MnO2、β-Mn02、γ-Mn02、λ-Mn02上主要以=XOPbOH存在,而在δ-Mn02上主要以=YOPb+形態(tài)存在。δ-Mn02在柱吸附實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附能力,因其制備成本較低,在實(shí)際含鉛廢水處理中具有較大的應(yīng)用潛力。2.利用離子交換法將Keggin離子交換到層狀δ-Mn02的層間,經(jīng)過高溫(300℃)處理后,成功合成了 Al2O3柱支撐的層狀MnO2吸附材料。表征結(jié)果表明,Al2O3可以將層狀MnO2的層間撐開,層間距達(dá)0.85 nm,比表面積增加了 11.9倍。經(jīng)過Al2O3柱支撐后層狀MnO2的鉛離子吸附量顯著提高,且吸附等溫線可以利用δ-Mn02和A1203的Freundlich模型參數(shù)進(jìn)行雙模型擬合。柱支撐的層狀MnO2對(duì)鉛離子的吸附動(dòng)力學(xué)符合擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,吸附過程受顆粒內(nèi)擴(kuò)散和外擴(kuò)散吸附控制。隨著溶液pH的升高,柱支撐層狀MnO2對(duì)鉛離子的吸附量也會(huì)隨之增加,但離子強(qiáng)度和可溶性腐殖酸對(duì)吸附的影響不大。在吸附重金屬Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)時(shí),柱支撐層狀MnO2也表現(xiàn)出了較高的吸附容量,說明其在處理重金屬?gòu)?fù)合污染時(shí)具有一定的優(yōu)勢(shì)。3.采用硬模板法合成了具有有序介孔結(jié)構(gòu)的β-Mn02吸附劑(m-MnO2),利用等離子體技術(shù)和功率超聲技術(shù)分別對(duì)合成的材料進(jìn)行表面改性(p-Mn02、u-MnO2),考察了所合成吸附劑對(duì)鉛離子的吸附行為。研究發(fā)現(xiàn),與無介孔結(jié)構(gòu)的β-MnO2吸附劑相比,m-MnO2、p-MnO2、u-MnO2具有更大的比表面積和高度有序的孔道結(jié)構(gòu),表面羥基數(shù)量顯著增加。經(jīng)過等離子和功率超聲處理后的p-MnO2、u-Mn02中Mn4+的比例有所升高,能夠形成更多的空穴吸附位。吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,鉛離子在m-MnO2、p-MnO2、u-MnO2上的吸附容量比水熱法和熱解法合成的不具有介孔結(jié)構(gòu)的h-MnO2和t-MnO2有較大提升。鉛離子在m-MnO2、p-MnO2、u-MnO2上的吸附動(dòng)力學(xué)符合擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,吸附過程受表面擴(kuò)散吸附和孔道內(nèi)擴(kuò)散吸附兩個(gè)過程控制。隨著溶液pH的升高,p-MnO2、u-MnO2的吸附量也會(huì)升高,且離子強(qiáng)度能夠促進(jìn)鉛離子在這兩種吸附劑上的吸附。4.采用沉淀-沉積法將不同量的二氧化錳負(fù)載在以Fe3O4為核、SiO2為殼的磁性納米微粒上,成功合成了 Fe3O4@SiO2@MnO2吸附材料(MFS@MnO2-X,X為Mn02的質(zhì)量百分?jǐn)?shù))。XRD、TEM的表征結(jié)果表明,當(dāng)核殼結(jié)構(gòu)上的二氧化錳負(fù)載量為wt.1.54%時(shí),二氧化錳的厚度約為1nm。在外加磁場(chǎng)條件下,磁性負(fù)載的二氧化錳吸附劑能夠快速實(shí)現(xiàn)固液分離。負(fù)載二氧化錳后的磁性材料對(duì)鉛離子的吸附量有明顯的增加,且吸附容量隨著二氧化錳負(fù)載量的增加而增加。利用二氧化錳的負(fù)載量對(duì)吸附等溫線進(jìn)行標(biāo)化后發(fā)現(xiàn),隨著負(fù)載量的增加,二氧化錳對(duì)鉛離子的吸附效率逐漸下降,這與二氧化錳在磁性核殼結(jié)構(gòu)上的分散程度有關(guān)。MFS@Mn02對(duì)鉛離子的吸附受溶液pH的影響較大,溶液pH越高,吸附容量越大。吸附飽和的MFS@Mn02經(jīng)過磁性分離后可以在酸性條件下脫附再生,再生后的吸附劑仍能保持較高的吸附容量,說明吸附劑具有較高的循環(huán)利用的潛能。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：X703

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 吳志堅(jiān);劉海寧;張慧芳;;離子強(qiáng)度對(duì)吸附影響機(jī)理的研究進(jìn)展[J];環(huán)境化學(xué);2010年06期

2 ;Relation of lead adsorption on birnessites with different average oxidation states of manganese and release of Mn~(2+)/H~+/K~+[J];Journal of Environmental Sciences;2009年04期

本文編號(hào)：2765298