LDHs及其納米復(fù)合材料對水中SCN-和酸性大紅GR的吸附性能研究.pdf

1、層狀雙金屬氫氧化物(Layered double hydroxides,簡稱LDHs)是一種帶有永久正電荷的具有水滑石層狀晶體結(jié)構(gòu)的功能材料。由于其獨(dú)特的電性質(zhì),層狀結(jié)構(gòu)以及層間陰離子的可交換性,在材料、化工、工業(yè)催化、醫(yī)藥和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。目前為止,還沒有發(fā)現(xiàn)可供工業(yè)應(yīng)用的帶永久正電荷的水滑石礦藏,而人工制備此類物質(zhì)比較容易,所以,有關(guān)類水滑石的制備、性能及應(yīng)用研究是人們關(guān)注的課題之一。在綜合國內(nèi)外大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)

2、上,制備了Cl-離子為層間陰離子的鎂鋁型層狀雙氫氧化物,利用現(xiàn)代分析技術(shù),對吸附材料的形態(tài)結(jié)構(gòu)和表面特性進(jìn)行了表征。系統(tǒng)研究了該類吸附劑對水體中硫氰酸根的吸附效果和行為,并對吸附作用機(jī)理進(jìn)行了探討。利用離子交換法制備得到了烷基磺酸根插層的LDHs納米復(fù)合材料,并對納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)及其對水中陰離子染料酸性大紅GR的吸附性能進(jìn)行了研究。具體如下:
　　 1.鎂鋁型層狀雙氫氧化物的制備與表征
　　 以氯化鎂、氯化鋁和氨水為主

3、要原料,利用液相非穩(wěn)態(tài)共沉淀的方法合成了不同Mg/Al摩爾比的穩(wěn)定的膠體顆粒吸附劑—以Cl-離子為層間陰離子的鎂鋁型層狀雙氫氧化物(簡稱MgAl-Cl-LDHs)。用化學(xué)分析和現(xiàn)代儀器測試技術(shù),進(jìn)行了系統(tǒng)研究:用高分辨透射電子顯微鏡、X-射線衍射、元素分析考察了粒子形貌、化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)以及摩爾比的影響;采用顯微電泳技術(shù)對MgAl-Cl-LDHs的電動特性進(jìn)行表征。研究結(jié)果表明:合成樣品中Mg/Al摩爾比總是低于原料配比中的Mg/Al

4、摩爾比,但只有Mg/Al摩爾比在2:1至4:1范圍內(nèi)時,才能得到具有良好的結(jié)晶度,純水滑石結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。高分辨透射電子顯微鏡觀察顯示,摩爾比在2:1至4:1范圍內(nèi)鎂鋁型LDHs具有水滑石六方晶系結(jié)構(gòu),有良好的結(jié)晶度,顆粒為規(guī)則的六邊形片狀納米顆粒,平均粒徑100-115nm之間。表面富含羥基。MgAl-Cl-LDHs帶永久正電荷。對于本實(shí)驗(yàn)方法,可以認(rèn)為產(chǎn)生正電荷有二個原因:一是同晶置換,二是離子吸附作用,隨著Mg/Al摩爾比從1:1變化

5、至4:1,鎂鋁型LDHs的電動電勢從+37.14mv逐漸增加到+48.50mv,研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn),鎂鋁型LDHs樣品的電動電勢受pH值的影響顯著。低pH值時,電動電勢為正值,隨著pH值的增加,電動電勢逐漸減小,pH值大于等電點(diǎn)(IEP)時,電動電勢變?yōu)樨?fù)值。MgAl-Cl-LDHs樣品的等電點(diǎn)隨著鎂含量的增大而增大,Mg/Al摩爾比從1:1變化至4:1,MgAl-Cl-LDHs樣品等電點(diǎn)依次為10.8,11.5,12.0和12.3。

6、>　　 2.MgAl-Cl-LDHs去除水體中的硫氰酸根
　　 采用Mg/Al摩爾比不同的LDHs樣品作為吸附劑,研究了它們對水體中SCN-的吸附能力和吸附特性?？紤]到吸附動力學(xué)在污水處理過程中的重要作用,對SCN-的吸附動力學(xué)進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:鎂鋁型層狀雙氫氧化物能夠有效去除水體中的硫氰酸根;SCN-去除的有效pH范圍為4.50-7.50:T=20℃,pH=5.50,平衡時間t=150 min,Mg/Al摩爾比為2:

7、1的LDHs樣品對SCN-的去除率最好,吸附去除硫氰酸根的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較好地符合Langmuir吸附等溫線,飽和吸附量達(dá)到了98.3 mgSCN-/gLDHs。
　　 用不同的動力學(xué)模型驗(yàn)證了鎂鋁型層狀雙氫氧化物去除水溶液中SCN-的吸附動力學(xué)。本文研究的所有結(jié)果表明在整個研究范圍內(nèi),由于以擬二級動力學(xué)模型對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的相關(guān)系數(shù)均高于其它動力學(xué)模型,因此,擬二級動力學(xué)模型可以用來描述MgAl-Cl-LDHs對SCN-的吸附動力學(xué)過

8、程。MgAl-Cl-LDHs表面位與SCN-之間的相互作用是離子交換和表面絡(luò)合的共同作用。
　　 3.LDHs納米復(fù)合材料的制備和表征
　　 層狀雙金屬氫氧化物的一個重要性質(zhì)是層間陰離子的可交換性,通過離子交換作用把其他的無機(jī)或有機(jī)陰離子引入層間,使層間結(jié)構(gòu)和組成發(fā)生相應(yīng)的改變,可制備具有特殊性質(zhì)的功能材料。以Mg/Al摩爾比為2:1的LDHs樣品為前驅(qū)體,用離子交換法把不同碳鏈長度的烷基磺酸根(客體)插入LDHs(主體

9、)層間,制備LDHs納米復(fù)合材料,并用XRD、FT-IR等手段對樣品進(jìn)行了表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,MgAl-Cl-LDHs和烷基磺酸鈉的濃度對LDHs納米復(fù)合材料的制備至關(guān)重要,當(dāng)烷基磺酸鈉的濃度＜20 mmol/L時,插層無法完成;同時,鎂鋁型LDHs的濃度不能太高,其濃度≥1.00 wt％時,插層也無法進(jìn)行。烷基磺酸根陰離子可取代鎂鋁型LDHs前驅(qū)體層間的Cl-離子,制備得到晶體結(jié)構(gòu)良好的納米復(fù)合材料。發(fā)現(xiàn)隨著烷基鏈長度的增加,烷基磺酸

10、鈉的濃度均為20 mmol/L時,樣品的層間距從0.773 nm依次增加到2.090 nm,2.287 nm和2.497 nm。同時,層間通道高度由前驅(qū)體的0.293 nm增大到插層后的1.610 nm,1.807 nm和2.017nm。隨著烷基磺酸根的碳鏈長度的增加,LDHs納米復(fù)合材料的表面被疏水改性。
　　 4.納米復(fù)合材料去除水中陰離子染料效果研究
　　 采用納米復(fù)合材料MgAl-CH3(CH2)5SO3-LDH

11、s作為吸附劑,研究其對水中陰離子染料酸性大紅GR(AS-GR)的去除效果,考察了溫度、pH值、吸附劑加量和吸附時間對染料去除效果的影響,并利用XRD和FT-IR測試技術(shù)對納米復(fù)合材料吸附染料前后進(jìn)行了表征。研究表明,LDHs納米復(fù)合材料可以有效地去除水體中酸性大紅GR,該吸附反應(yīng)為吸熱反應(yīng),升溫有利于酸性大紅GR在MgAl-CH3(CH2)5SO3-LDHs上的吸附,最佳pH值為9左右吸附展現(xiàn)出對AS-GR優(yōu)良的吸附性能,吸附劑加量為1