層狀雙氫氧化物對含氧陰離子污染物的吸附性能與作用機制.pdf

1、水滑石類層狀雙氫氧化物(Layereddoublehydroxides，LDHs)，是由帶正電荷的氫氧化物層板及層間陰離子組成(分子式[M2+1-xM3+x·(OH)2]x+(An-)x/h·mH2O)，是一類合成可控且經(jīng)濟廉價的陰離子層狀納米材料。LDHs具有較高的比表面積和離子交換容量、良好的熱穩(wěn)定性及回收再生性能，其煅燒產(chǎn)物CLDHs具有“記憶效應”，是一種優(yōu)越的環(huán)境功能吸附材料，在陰離子污染物的吸附去除中具有廣闊的應用潛力。論文

2、評述了LDHs的合成、結(jié)構(gòu)性能及其對含氧陰離子污染物吸附作用的研究進展;針對污染物在LDHs層間狀態(tài)及與LDHs層板之間的分子作用機制尚不清楚、LDHs吸附污染物的結(jié)構(gòu)-效應關(guān)系及強化方法有待深入研究等問題，合成了一系列不同組成與結(jié)構(gòu)特征的LDHs-CO32-及石墨烯-LDH復合物(G-LDHs)樣品，利用ICP-MS、XRD、FTIR、Raman、TG-DTG、SEM、TEM手段，表征了其組成結(jié)構(gòu)、表面官能團和微形貌;選擇典型的無機陰

3、離子ClO4和有機可離子化污染物苯酚為代表，研究了LDHs吸附去除陰離子污染物的性能及作用機理。重點研究了LDHs和CLDHs對ClO4-的吸附特性及作用機制，探討LDHs的層板電荷密度、空間對稱性等對其吸附性能的影響;研究在不同條件下CLDHs對苯酚的吸附性能及熱再生循環(huán)特征，比較CLDHs對無機及有機含氧陰離子污染物的吸附性能及作用機制;闡明了石墨烯對LDHs吸附性能的強化作用機制。論文主要結(jié)論及創(chuàng)新點如下:
　　(1)探明了

4、LDHs及煅燒產(chǎn)物CLDHs對ClO4-的吸附性能、作用機理及其構(gòu)-效關(guān)系。LDHs對ClO4-吸附性能弱（飽和吸附量為10mg/g），以外表面吸附及離子交換作用為主;CLDHs具有特殊的“記憶效應”，對ClO4-具有很強的吸附能力（飽和吸附量為280mg/g），主要機制為ClO4-作為層間陰離子進入重構(gòu)的LDHs-ClO4-、ClO4-與LDHs層板上羥基之間的氫鍵相互作用。隨M2+/M3+比值增加，LDHs層板上的正電荷密度減少，但

5、CLDHs對ClO4-的吸附能力增大，表明層板正電荷與ClO4-間的靜電吸引作用不是唯一的吸附作用機制;當ClO4-濃度增加時，等溫吸附曲線上出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，說明ClO4-與LDHs層板之間存在多種相互作用力。M3+金屬的改變不影響LDHs中金屬氫氧化物層板的基礎結(jié)構(gòu)及層板空間幾何結(jié)構(gòu)特征（以MgAl-LDHs和MgFe-LDHs為例），但因Fe3+離子的半徑大于Al3+引起M2+-M3+距離增大、電荷密度減小，進而減弱層板正電荷與層間陰離

6、子的靜電作用，使吸附量降低(121mg/g)。M2+金屬的改變（以MgAl-LDHs和ZnAl-LDHs為例）使得層間的D3h對稱結(jié)構(gòu)與CO32-幾何對稱高度匹配，因而CO32-在ZnAl-LDHs層間具有極高的穩(wěn)定性與層間羥基以強氫鍵的形式結(jié)合，即使經(jīng)過煅燒也很難完全去除層間的CO32-，所以ZnAl-CLDHs對ClO4-的吸附能力極弱(11mg/g)，吸附機制以靜電作用為主。
　　(2)探明了在不同吸附條件下CLDHs對苯酚

7、的吸附性能、作用機制及熱再生循環(huán)性能。CLDHs對苯酚離子具有很強的吸附能力，最大吸附量可達216mg/g，苯酚陰離子作為層間離子進入重構(gòu)的LDHs-phenol;CLDHs是一種可多次循環(huán)利用的高效吸附劑，吸附苯酚離子后形成的LDHs-phenol能通過熱處理將苯酚徹底分解去除，同時LDHs-phenol再生為CLDHs，繼續(xù)用于吸附。由于重構(gòu)的LDHs-phenol層間呈現(xiàn)富水環(huán)境，苯酚在層間傾向于與層間羥基或水分子以弱氫鍵的方式結(jié)

8、合;同時由于LDHs與有機物間的弱的相互作用，造成LDHs-phenol的層間距擴張，進一步吸附溶液中的苯酚離子。
　　(3)揭示了石墨烯摻入對LDHs吸附無機及有機陰離子污染物的影響機制。石墨烯的摻入有效緩解LDHs納米顆粒間的自聚積作用，提高LDHs的分散性，同時增加了LDHs微環(huán)境的疏水性，促進了LDHs對于ClO4-的吸附（最大吸附量為410mg/g）;G-LDHs中含水量的減少，降低ClO4-在LDHs層間的水化作用，增