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《华南理工大学》 2017年
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用于脱除水中重金属离子的磁性纳米伊/蒙粘土的制备

刘婷婷  
【摘要】:工业生产排放的废水、废气、废渣中大多包含重金属离子,重金属毒性污染是当前存在的急待解决的环境问题之一。若不慎摄入或者在人体内累积,则会造成多器官的衰竭和异常,甚至引起心血管疾病或者神经系统的损害。去除水体中重金属离子的方法有化学沉淀法、电化学法、物理吸附法、离子交换法等。物理吸附法是有效去除水体中重金属离子的方法之一,具有效率高、易操作等优点。粘土矿物是一种比表面积较大、离子交换能力强的硅酸盐矿物,可作为吸附材料。但由于微细粘土矿物材料吸附完重金属离子后,难以与液体体系分离,限制了其应用和回收。近年来,国内外研究者制备磁性粘土,其可通过外加磁场磁分离出来。伊/蒙粘土是伊利石和蒙脱石之间的一个过渡矿物,可有效地吸附重金属离子。本论文旨在制备一种磁性纳米伊/蒙粘土,并应用于水中重金属离子的吸附脱除研究。论文的第一章阐述了水体中重金属污染的来源与危害,重金属污染的治理方法,粘土矿物和磁性粘土矿物去除水体中重金属离子的国内外研究现状,磁性粘土矿物的制备方法,伊/蒙粘土的组成结构及物化性质,以及本论文的研究目的和主要研究内容。在第二章中,介绍了实验中需使用的原料、试剂、实验设备以及样品测试表征仪器(如X光透射式沉降粒度仪、X-射线衍射分析仪、扫描电子显微镜、振动样品磁强计等),并介绍了各仪器的测试原理及相应测试条件。在第三章中,采用化学共沉淀法制备了磁性纳米伊/蒙粘土。首先,进行单因素试验分析,分别研究了反应pH值、铁盐和亚铁盐的比例n(Fe~(3+))/n(Fe~(2+))、反应温度、搅拌速度、纳米伊/蒙粘土的加入量诸因素对产物的比饱和磁化强度以及吸附Cd~(2+)和Pb~(2+)的性能的影响,并确定各影响因素的合理水平范围。其次,根据单因素试验结果,当pH值为10和搅拌速度为400 rpm时,采用L_9(3~4)正交试验表设计试验,研究n(Fe~(3+))/n(Fe2+)、反应温度、纳米伊/蒙粘土的加入量这三个因素对产物性能的影响,选取样品的比饱和磁化强度、样品对Cd~(2+)和Pb~(2+)吸附去除率作为目的函数,获得了优化的试验参数(即n(Fe~(3+)):n(Fe2+)为6:3,反应温度为60℃,m(I/S):m(Fe_3O_4)为1:1)。通过X射线衍射技术、扫描电子显微镜、振动样品磁强计、傅里叶变换红外光谱对产物进行表征,结果表明,采用化学共沉淀法可将Fe_3O_4颗粒有效地负载在纳米伊/蒙粘土颗粒表面,其比饱和磁化强度为26.77 emu/g,并可采用外加磁场磁分离出来。另外,还探究采用机械力化学法制备磁性纳米伊/蒙粘土,将纳米伊/蒙粘土和Fe_3O_4颗粒通过一种高能量密度介质搅拌磨进行机械研磨。分析了研磨时间对产物的影响。采用X射线衍射分析仪、扫描电子显微镜、振动样品磁强计、比表面积分析仪表征产物。结果表明,在激烈的机械力的作用下,Fe_3O_4颗粒可有效地附着在纳米伊/蒙粘土颗粒表面,X射线分析表明,产物中含有纳米伊/蒙粘土和Fe_3O_4的衍射峰,且没有出现新的物相。随着研磨时间的增加,产物粒度减小,比饱和磁化强度降低,但比表面积增大。在第四章中,分别将化学共沉淀法和机械力化学法制备的磁性纳米伊/蒙粘土应用于水中Pb~(2+)、Cd~(2+)的吸附研究,分别考察了浆料的pH值、吸附剂的加入量对吸附效果的影响,并用Langmuir和Freundlich模型对吸附过程进行了等温线模拟研究,用准一级动力学和准二级动力学方程对吸附过程进行了动力学行为模拟研究。两种方法制备的磁性纳米伊/蒙粘土都能有效去除水中Pb~(2+)、Cd~(2+)。另外,采用化学共沉淀法和机械力化学法制备的磁性纳米伊/蒙粘土的比饱和磁化强度分别为26.77 emu/g和17.74 emu/g。经磁分离实验结果表明,吸附水体中重金属离子后的磁性纳米伊/蒙粘土能采用外加磁场进行有效磁分离。最后,本论文根据实验结果给出主要结论、存在的不足和今后研究方向。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB332;TQ424

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