多功能磁性吸附剂设计合成与性能研究
Designed Synthesis and Property Investigation of Multifunctional Magnetic Adsorbent
随着工业的快速发展,水污染成为人类面临的严肃课题,尤其是重金属污染对人体的危害极大,因此开发有效的吸附剂去除水体污染具有重要的现实意义.本论文以水体中的重金属六价铬离子污染为例,利用海藻酸钠和铁盐作为前驱体通过高温处理制备了两种不同宏观结构的磁性多孔碳吸附剂,采用批量吸附实验证明所制备的材料对水体中铬离子具有良好的去除效果.通过对比两种方法,我们发现改进后制备的整体式吸附剂具有更广阔的应用前景.已知海藻酸钠等生物质在惰性气体(如氮气)保护下,经过高温处理会形成生物碳,铁盐经过碳热还原能够形成磁性纳米材料,结合上述两种特性,采用铁离子对海藻酸钠进行交联进而高温碳化制备具有多孔结构和特殊物化性质的磁性多孔碳生物吸附剂,能够用于水体中重金属离子的有效去除.实验一制备了纳米级磁性吸附剂Fe-SA-X,研究了不同碳化温度对吸附剂性能的影响,结果表明Fe-SA-800的吸附效果优于Fe-SA-400和Fe-SA-600,说明温度越高,吸附效果越好.对影响吸附实验的参数进行详细考察,证明最佳吸附条件的pH值为2.0;动力学研究表明吸附过程更好地遵循拟二级模型,等温吸附实验数据更加符合Langmuir模型,说明是单分子层吸附,由分离因子RL在0到1之间,说明吸附是有利的,吸附剂对Cr(VI)的吸附不受温度的影响.研究了常见阴离子强度对吸附的影响,说明吸附是一种竞争机制,阴离子所带的负电荷数量越多,对Cr(VI)离子的去除影响越大.重复使用性表明材料可以循环使用,使用三次后其去除率依然保持在80%左右,证明其性能稳定,效果良好.最后对可能的吸附机理进行详细的讨论,通过FTIR和XPS等表征手段证明,吸附Cr(VI)过程中静电引力和氧化还原是并存的,最后Cr(VI)部分还原形成的Cr(III)留在吸附剂孔道内部.在实验一基础上进行改进,实验二引入离子交换机制,利用Ca2+交联比Fe3+交联所得到的水凝胶球机械强度更大,采用高温处理干燥的Fe-Ca-SA凝胶球得到整体式磁性碳球吸附剂(MMCB),其孔隙率增大,吸附量由原来的86.32mg/g提升到143.20mg/g.实验详细研究了各种参数对吸附效果的影响,实验数据更加符合拟二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型,热力学研究(ΔH>0,ΔS>0,ΔG<0)表明MMCB对Cr(VI)的吸附是自发进行的,是吸热反应.对于吸附机理和循环使用性也给予详细讨论.更为重要的是,和纳米级别的Fe-SA-X样品相比,整体式吸附剂具有更高的机械强度,更加便于回收,有望用于现实工业废水中的重金属离子去除.
- 作者：
- 雷治民
- 学位授予单位：
- 大连工业大学
- 专业名称：
- 化学工程与技术
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2016年
- 导师姓名：
- 翟尚儒
- 中图分类号：
- TQ424
- 关键词：
- 海藻酸钠；生物碳；磁性；Cr(VI)吸附；廉价；可回收
- sodium alginate; bio-carbon; magnetic; Cr(VI) adsorption; low-cost; recyclable;