本文關(guān)鍵詞：功能化介孔硅吸附劑的制備及其選擇吸附特性與作用機(jī)制

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【摘要】：水處理吸附技術(shù)在水中微量有毒有害、難降解污染物去除領(lǐng)域具有極強(qiáng)的應(yīng)用前景。無機(jī)硅基介孔材料的特殊有序孔道結(jié)構(gòu)使其功能化改性后在吸附去除水中微量污染物方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。然而,常用的有機(jī)改性硅基介孔材料存在制備路徑復(fù)雜、反應(yīng)條件苛刻等諸多約束之處。本研究選擇抗生素類新型污染物、重金屬類污染物、陽離子染料類大分子有機(jī)物以及苯胺類小分子有機(jī)物四類有毒有害、難降解的污染物為目標(biāo)污染物,在分析其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的基礎(chǔ)上,從介孔硅材料合成途徑和無機(jī)化功能改性入手,在介孔硅吸附劑制備及使用過程的不同階段開發(fā)利用其選擇性吸附特性并實(shí)現(xiàn)循環(huán)再利用,從而實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)污染物的高效選擇性去除,并探究了其吸附作用機(jī)制。在分析目標(biāo)污染物的化學(xué)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的基礎(chǔ)上,設(shè)計合成并表征了四種基于目標(biāo)污染物性質(zhì)的功能化MCM-41吸附劑,進(jìn)一步評價了其對目標(biāo)污染物的去除效能。依據(jù)恩諾沙星和諾氟沙星親疏水性的差異,制備表征了保留模板劑的C16-MCM-41和純MCM-41,使得疏水性恩諾沙星的吸附去除率分別為91.3%和61.0%,而親水性諾氟沙星的吸附去除率則為27.9%和51.9%。根據(jù)重金屬離子Cu2+和Cd2+的絡(luò)合特性和水解特性,制備了保留模板劑的MCM-41和純MCM-41,使其對Cu2+和Cd2+的吸附去除率從5%和2%提高到92%和35%。根據(jù)陽離子染料的陽離子特性,制備表征了負(fù)載CuO的MCM-41,使其對結(jié)晶紫和亞甲基藍(lán)的吸附去除率從67%和80%提高到78%和93%。根據(jù)苯胺氨基的給電子特性,制備表征了鐵氧化物改性MCM-41,使其對苯胺的吸附去除率從8%提高到93%。在明確功能化MCM-41對目標(biāo)污染物的去除效能的基礎(chǔ)上,探討了功能化MCM-41吸附去除目標(biāo)污染物的影響因素。pH是影響C16-MCM-41和MCM-41去除恩諾沙星和諾氟沙星上的關(guān)鍵因素,pH為6.4和7.2時去除效率最高,分別為84%和63%。pH和離子強(qiáng)度是影響含模板劑的MCM-41去除重金屬離子Cu2+和Cd2+、CuO改性MCM-41去除結(jié)晶紫和亞甲基藍(lán)、鐵氧化物改性MCM-41吸附苯胺的關(guān)鍵因素。在pH為5.6-7.5和5.2-8.9范圍時,Cu2+去除率從32.7%增加到96.1%,Cd2+去除率僅從10.7%增加到60.6%,高離子強(qiáng)度對其的吸附去除產(chǎn)生抑制作用。在p H為4.3-9.3和4.1-9.3,CuO改性MCM-41對結(jié)晶紫的去除率從59.3%增加到85.9%、對亞甲基藍(lán)去除率從79.4%增加到96.4%,低離子強(qiáng)度(0.02 M NaCl)能夠提高其去除效率;pH為4.4-9.1范圍時,苯胺的去除率從89.1降低到25.7%,高離子強(qiáng)度(0.05 M NaCl)有利于苯胺的吸。pH作為影響功能化介孔硅MCM-41選擇吸附目標(biāo)污染物的重要因素,在《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)要求的pH值6.5-8.5范圍內(nèi),對目標(biāo)污染物均表現(xiàn)出良好的去除效能。為揭示吸附作用機(jī)制,系統(tǒng)評價了功能化MCM-41對目標(biāo)污染物的選擇吸附特性。恩諾沙星和諾氟沙星在C16-MCM-41和MCM-41上的吸附過程符合擬一級吸附動力學(xué)模型、在90 min基本達(dá)到吸附平衡,等溫吸附曲線符合Langmuir等溫附模型,其最大吸附容量分別為15.02 mg/g和1.74 mg/g且均隨溫度增加而降低;C16-MCM-41對疏水性喹諾酮類抗生素顯示出良好的選擇吸附特性;疏水性恩諾沙星在C16-MCM-41上的吸附主要依靠疏水鍵作用,而親水性諾氟沙星在MCM-41上的吸附主要依靠氫鍵力作用。重金屬離子Cu2+和Cd2+在含模板劑MCM-41上的吸附過程符合擬一級吸附動力學(xué)模型、可在20 min達(dá)到吸附平衡,等溫吸附曲線符合Langmuir等溫附模型、最大吸附容量分別為32.2 mg/g和8.0mg/g、且隨溫度升高而增加,C16-MCM-41對絡(luò)合性重金屬離子顯示出良好的選擇吸附特性;主要通過模板劑陽離子端的界面陰離子與模板劑形成配合物而實(shí)現(xiàn)其吸附捕獲。陽離子染料結(jié)晶紫和亞甲基藍(lán)在CuO改性MCM-41上的吸附過程符合擬二級吸附動力學(xué)模型、可在60 min達(dá)到平衡,等溫吸附曲線符合Langmuir等溫附模型、最大吸附容量分別為52.9 mg/g和87.8 mg/g且隨溫度升高而降低,CuO/MCM-41對陽離子染料顯示出良好的選擇吸附特性;主要通過正負(fù)電荷間的相互作用實(shí)現(xiàn)其對陽離子染料的選擇性吸附。苯胺在鐵氧化物改性MCM-41上的吸附過程符合擬二級吸附動力學(xué)模型、可在30 min達(dá)到平衡,等溫吸附曲線符合Langmuir等溫附模型、最大吸附容量為17.94 mg/g且隨溫度增加而增大,鐵氧化物改性MCM-41對小分子苯胺污染物顯示出良好的選擇吸附特性;主要通過鐵氧化物中的吸電子性氧與苯胺的給電子基團(tuán)氨基間的靜電引力實(shí)現(xiàn)。本論文根據(jù)污染物的性質(zhì)制備了功能型介孔硅吸附劑,實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)污染物的選擇性吸附去除,對于拓展介孔硅材料在水體微污染控制領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的科學(xué)意義,為水體污染控制與水質(zhì)凈化提供了新思路。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：X703;O647.3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1292467