偏高嶺土地質(zhì)聚合物基重金屬離子吸附劑的制備及其性能研究.pdf

1、隨著工業(yè)社會(huì)的快速發(fā)展，環(huán)境問題已成為制約人類發(fā)展的關(guān)鍵問題之一，其中來自采礦業(yè)、冶煉業(yè)、電鍍業(yè)、電池業(yè)、皮革業(yè)等工業(yè)的重金屬污染更是由于其不可生物降解和易在生物體內(nèi)累積，并具有致畸性、致癌性和致突變性，已成為嚴(yán)重危害人類生存環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的因素，對(duì)重金屬污染的治理成為當(dāng)前各國科研工作者的研究焦點(diǎn)之一。
　　對(duì)重金屬污染常用處理方法有化學(xué)沉淀法、離子交換法、膜法和吸附法等。其中吸附法由于具有操作簡單、有效和低成本的優(yōu)點(diǎn)而成為新的研

2、究熱點(diǎn)，但是目前常用的吸附劑如碳材料、分子篩、無機(jī)礦物等，存在穩(wěn)定性差、成本高、易產(chǎn)生二次污染，且多為粉體，具有易團(tuán)聚、脫水困難、回收困難和不能用于固定床連續(xù)處理重金屬廢水等缺陷。本文以偏高嶺土為原料，制備了綠色環(huán)保、穩(wěn)定性高、成本低的地質(zhì)聚合物重金屬離子吸附劑，研究了其結(jié)構(gòu)和吸附性能之間的關(guān)系;采用懸浮固化法制備了多孔地質(zhì)聚合物球(PGS)、采用共混法制備了地質(zhì)聚合物/海藻酸鈣雜化凝膠球(GAB)，綜合運(yùn)用SEM、XRD、FTIR、孔

3、徑分布和27Al、29Si魔角旋轉(zhuǎn)核磁共振光譜等手段對(duì)PGS、GAB的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并分析了其形成機(jī)理;以含Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)的模擬廢水為研究對(duì)象，探討了PGS、GAB對(duì)重金屬離子的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)吸附性能、構(gòu)效關(guān)系和脫附工藝，通過相關(guān)模型擬合分析了其吸附機(jī)理，為新型地質(zhì)聚合物基重金屬離子吸附劑的廣泛應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。
　　主要研究結(jié)果如下:
　　1)采用單因素實(shí)驗(yàn)分別研究了水玻璃模數(shù)、n(Na2O)/n(Al2O3

4、)和n(H2O)/n(Na2O)對(duì)地質(zhì)聚合物結(jié)構(gòu)和吸附性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)水玻璃模數(shù)是影響地質(zhì)聚合物吸附性能的關(guān)鍵因素，最佳配方為水玻璃模數(shù)(SiO2和Na2O摩爾比)為1.6， n(Na2O)/n(Al2O3)=1，n(H2O)/n(Na2O)=22。地質(zhì)聚合物對(duì)水溶液中Cu(Ⅱ)的吸附動(dòng)力學(xué)符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型、吸附熱力學(xué)符合Langmuir模型，說明其吸附過程以單層吸附為主。研究還發(fā)現(xiàn)吸附過程既有化學(xué)吸附作用又有物理吸附作用，且吸

5、附過程為優(yōu)惠吸附。在pH=5、Cu(Ⅱ)初始濃度為50mg/L、體積為100 mL時(shí)地質(zhì)聚合物L(fēng)angmuir最大吸附量為43.48mg/g。
　　2)為提升地質(zhì)聚合物連續(xù)處理重金屬廢水的能力，采用懸浮固化法制備了新型多孔地質(zhì)聚合物球(PGS)，利用正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化配方，最佳配方為玻璃模數(shù)為1.6，n(H2O)/n(Na2O)=16，n(Na2O)/n(Al2O3)=1，H2O2wt％=0.5％，K12 wt％=1.5％;該配方下BE

6、T比表面積為53.95 m2/g，平均孔徑為5.38 nm。對(duì)最佳配方制備的PGS，進(jìn)行了FTIR、XRD、SEM、27Al、29Si NMR分析可以得到懸浮固化法制備球形多孔地質(zhì)聚合物的機(jī)理與普通注模成型制備地質(zhì)聚合物的形成機(jī)理一致，即偏高嶺土中的硅源、鋁源在堿性條件下溶解后，高溫下快速進(jìn)行縮聚和網(wǎng)絡(luò)化反應(yīng)，形成多孔地質(zhì)聚合物球。
　　3)研究了PGS對(duì)重金屬離子的靜態(tài)吸附、動(dòng)態(tài)吸附性能和再生工藝。吸附動(dòng)力學(xué)結(jié)果表明PGS對(duì)Cu

7、(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的吸附均符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，且對(duì)Pb(Ⅱ)的吸附速率更快。吸附熱力學(xué)擬合結(jié)果表明PGS對(duì)Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的Langmuir最大吸附量分別為52.63 mg/g和131.98mg/g，優(yōu)于市售的4A型球形分子篩。由吸附過程的吉布斯自由能和焓變值可知PGS對(duì)Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的吸附過程為吸熱過程且為自發(fā)反應(yīng)，對(duì)Cu(Ⅱ)的吸附既有物理吸附也有化學(xué)吸附作用，對(duì)Pb(Ⅱ)的吸附以離子交換作用為主。對(duì)PGS再生工藝的

8、研究表明EDTA-2Na為最合適的解吸劑。在連續(xù)處理廢水的動(dòng)態(tài)吸附過程中，床層高、流速低和初始濃度低有利于延長吸附穿透時(shí)間。在床層高度為2.2 cm、流速為1 mL/min、初始濃度為50 mg/L時(shí)，多孔地質(zhì)聚合物球填充的固定床中對(duì)Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的穿透時(shí)間分別為35小時(shí)和69小時(shí)。
　　4)通過無機(jī)-有機(jī)雜化制備了含有機(jī)官能團(tuán)的地質(zhì)聚合物雜化材料進(jìn)一步提升其吸附性能。利用共混法制備地質(zhì)聚合物/海藻酸鈣雜化凝膠球(GAB)

9、，采用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)共混法的配方進(jìn)行優(yōu)化，以吸水率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，最終確定制備GAB的最佳配方為水玻璃模數(shù)為1.6，n(H2O)/n(Na2O)=16,n(Na2O)/n(Al2O3)=1,m(Geo)/m(SA)=1∶0.16，其成球性好、耐水性佳，通過冷凍干燥可以更好的保存其結(jié)構(gòu)和形貌。SEM、XRD、FTIR、孔徑分布的表征表明GAB為地質(zhì)聚合物和海藻酸鈣互穿網(wǎng)絡(luò)的核殼結(jié)構(gòu)，其外部為一層40-50μm的薄殼，內(nèi)部為蜂窩狀結(jié)構(gòu)，其BET比

10、表面積為16.19 m2/g，平均孔徑為11.51 nm。
　　5)研究了GAB對(duì)重金屬離子的靜態(tài)吸附、動(dòng)態(tài)吸附性能和吸附機(jī)理:吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明GAB對(duì)水溶液中Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的吸附均符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，且對(duì)Pb(Ⅱ)的吸附速率遠(yuǎn)高于Cu(Ⅱ)。吸附等溫線擬合結(jié)果表明GAB對(duì)Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的吸附符合Langmuir模型，對(duì)Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的Langmuir最大平衡吸附量分別達(dá)到62.53 mg/g和14