鐵、錳、鈷基復(fù)合材料的制備及其對水體污染物去除研究.pdf

1、近年來，經(jīng)濟的快速發(fā)展導(dǎo)致污水排放量增加，給水體環(huán)境造成了嚴重的污染。其中，富營養(yǎng)化以及砷污染問題尤為突出。吸附是目前解決富營養(yǎng)化以及砷污染問題最有效的方法之一，因此開發(fā)新型、高效的吸附劑成為消除水污染的關(guān)鍵所在。然而現(xiàn)行的污染物吸附劑如生物吸附劑、活性炭、礦物材料等，存在吸附容量小、吸附選擇性差、制備成本高、吸附后難以回收以及可能會引起二次污染等缺點，不能很好地解決日益嚴重的水體污染問題?；谝陨戏治?，我們需要開發(fā)吸附量大、易于分離回

2、收的吸附材料，充分暴露材料的吸附位點，旨在提高水體污染的處理能力。
　　石油污染事故頻發(fā)，給海洋生態(tài)環(huán)境帶來了嚴重的后果。而常用的處理技術(shù)不能有效地消除石油泄漏帶來的環(huán)境危害。因此，需要開發(fā)高性能的油水分離材料及技術(shù)，提高油水分離效率，降低油水分離成本，以期在實際石油污染水體處理中能夠發(fā)揮效用。
　　結(jié)合環(huán)境中砷污染以及富營養(yǎng)化特點，制備了鐵摻雜二氧化錳微納結(jié)構(gòu)材料、β-FeOOH納米棒/泡沫炭多孔分級結(jié)構(gòu)材料以及Fe3O4

3、-氧化石墨烯/泡沫炭復(fù)合材料用于去除水體污染物質(zhì)，分別探究其對磷、砷的吸附性能及機理。同時由于全球石油資源日益枯竭，石油泄漏問題嚴重，給人類及生態(tài)環(huán)境帶來嚴重的危害，開發(fā)了鈷基金屬有機框架/泡沫炭復(fù)合材料，將其碳化處理后用于油水分離，并與流動泵結(jié)合搭建了微小型油水分離裝置，提高了油水分離的效率。本文的主要內(nèi)容包括:
　　(1)含磷廢水的過度排放引起水體的富營養(yǎng)化問題被社會廣泛關(guān)注。為了消除負面影響，開發(fā)三維微納分級結(jié)構(gòu)材料來處理水

4、體富營養(yǎng)化污染是一種非常有效的方式。通過簡單的一步無模板法制備三維花狀的鐵摻雜二氧化錳微納米球處理磷酸鹽污染水體。用掃描電鏡和透射電鏡表征樣品，這種微納米球由大量交織在一起的納米片組裝成，納米片的厚度可以通過調(diào)節(jié)Fe/Mn摩爾比而控制在2～30 nm之間，并且隨著納米片厚度的減小，其對磷酸鹽的去除效果顯著提高。與未摻雜鐵樣品相比，鐵摻雜二氧化錳微納米球?qū)α姿猁}吸附性能明顯增強，同時隨著鐵摻雜量的增加，其去除效率也顯著提高。當鐵摻雜量為1

5、5％時，這種微納米球可以完全將低濃度（少于10 ppm）的磷酸鹽從水體中去除。另外，制備的微納米球?qū)α姿猁}表現(xiàn)出較好的選擇性，這可以歸因于其獨特的三維分級結(jié)構(gòu)，以及磷與鐵、錳之間較強的成鍵作用。更為重要的是，樣品在五次循環(huán)再生后，其對磷酸鹽的吸附量無明顯降低。上述研究結(jié)果表明，所制備的鐵摻雜二氧化錳微納米球是一種理想的磷酸鹽吸附劑。
　　(2)其次，鐵摻雜二氧化錳微納米球?qū)λw中As(Ⅲ)有很好的去除性能，其飽和吸附量為102.8

6、4 mg/g。這種微納分級結(jié)構(gòu)材料對As(Ⅲ)優(yōu)良的吸附性能可歸因于材料獨特的結(jié)構(gòu)特點以及其充分暴露的活性位點。另外，鐵摻雜二氧化錳微納米球?qū)s(Ⅲ)氧化與吸附的協(xié)同進行是展現(xiàn)其良好吸附能力的另一關(guān)鍵原因，即二氧化錳首先將As(Ⅲ)氧化為As(Ⅴ)，而鐵組分與氧化后的As(Ⅴ)產(chǎn)生較強的鍵合作用，這可以通過X射線光電子能譜分析(XPS)進行證實。尤為重要的是材料在經(jīng)過三次再生循環(huán)后對As(Ⅲ)的去除效率無顯著的降低，并且因材料的顆粒尺

7、寸相對較大，可以通過簡單的過濾分離，降低了對環(huán)境的二次污染風險。因此，這種鐵摻雜二氧化錳微納米球是理想的As(Ⅲ)吸附劑。
　　(3)水體砷污染問題已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注，給整個生態(tài)系統(tǒng)和人類健康帶來嚴重的危害，因此迫切需要設(shè)計開發(fā)高性能的砷污染吸附劑。本文發(fā)展了一種簡單、低成本的方法在三維泡沫炭材料表面生長β-FeOOH納米棒來處理水體中砷污染。通過先碳化海綿隨后水熱反應(yīng)制備這種多孔塊體材料，并將其應(yīng)用于水體中砷的去除，對As

8、(Ⅲ)和As(Ⅴ)的飽和吸附量分別為103.4 mg/g、172.9mg/g。這種三維吸附劑材料對砷污染展現(xiàn)出優(yōu)異的去除性能，可歸因于其三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)便于傳質(zhì)過程的進行，以及充分暴露的吸附位點，另外材料表面存在豐富羥基基團是提高水體中砷去除效率重要因素。樣品對砷具有較好的選擇性吸附，主要是由于材料的活性位與砷的親和力更強，這種三維網(wǎng)狀塊體材料不僅有利于材料的分離回收，還有利于防止納米顆粒對水體環(huán)境造成二次污染。另外，材料經(jīng)過五次再生循環(huán)后

9、無顯著的吸附性能降低，表明這種材料具備優(yōu)良的循環(huán)利用性。綜上所述，這種三維塊體吸附材料是一種理想的砷污染物去除吸附劑，有較好的實際應(yīng)用前景。
　　(4)具備豐富活性位點又便于磁性分離的三維塊體復(fù)合材料在去除水體污染物中具有重要的意義。通過簡單的一步法將氧化石墨烯包覆在四氧化三鐵顆粒的表面，并錨定在三維大孔的泡沫炭框架上，用于水體中As(Ⅲ)的快速去除。這種三維復(fù)合材料對As(Ⅲ)的飽和吸附量為111 mg/g，其良好的吸附能力可歸

10、因于三維網(wǎng)狀分級結(jié)構(gòu)以及吸附活性位點的充分暴露。另外，材料的再生循環(huán)性能良好，利用材料的磁性和三維塊體特點容易將材料進行分離回收，因此是一種理想的吸附材料。
　　(5)頻繁的石油泄漏逐漸成為一種嚴重的全球性環(huán)境污染問題，不僅會加劇全球能源危機，還會打破海洋生態(tài)系統(tǒng)平衡，這迫切需要開發(fā)良好的油水分離技術(shù)解決石油污染問題。本文利用氣相水熱法在泡沫炭表面合成了鈷基金屬有機框架，碳化后將其用于油水分離。這種復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的油水分離性能