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基于MCM-41功能化材料对废水中铜离子的吸附研究

李创举  
【摘要】: 从工业污水中去除和选择性复得重金属是循环经济的内在要求,在各种各样的处理污水中重金属离子的方法中,吸附法因其成本低廉、操作简便、去除率高,是目前应用比较广泛的方法之一。有序介孔分子筛MCM-41作为新兴的一种吸附剂,具有很多独特的性质。例如大比表面积(700-1500m~2/g)、有序的结构和开放的骨架、均一可调的孔径(2-50nm)、易于修饰的内表面和可控的修饰比。这使它在以下两个方面明显优于一般吸附剂:(1)无论是在重金属的吸附容量、去除时间、还是在选择性方面都强于一般的吸附剂。(2)可以用不同的有机基团对其表面进行不同程度地功能化,从而改变它对重金属的吸附能力,以制得所需的特定吸附剂。 本文首先利用微波一步合成出了纯MCM-41和NH_2- MCM-41,用X射线衍射、红外光谱、低温N2吸附-脱附对它们进行了表征,然后将其分别用于废水中铜离子的吸附。系统考察了两种材料的等温吸附曲线、动力学曲线、富集特征和再生能力。结果显示铜离子在两种材料上的吸附均符合Langmuir模型,氨基改性的MCM-41的最大吸附量为24.94mg/g,明显高于纯MCM-41的最大吸附量(14.90mg/g);NH_2- MCM-41吸附反应的半衰期为比纯MCM-41的略长,前者为2.18min,后者为2.13min;两种吸附剂均能用于微量重金属离子的富集材料,氨基改性的吸附剂的再生性能很好。 本文接着利用微波一步合成了不同巯基含量的SH-1-MCM-41 SH-2-MCM-41 SH-3-MCM-41,并对其结构作了表征。结构表征显示了当巯基含量达到40%时,材料依然有着有序的介观结构。随着巯基含量的增大,三种材料的比表面积、孔体积和孔径依次减小。废水中铜离子的吸附实验表明SH-3-MCM-41对铜离子的吸附能力最强,它有着27.10mg/L的最大吸附量和2.44min的吸附反应半衰期;随着pH值的上升,SH-3-MCM-41对铜离子时的吸附量逐渐减小;重金属离子的竞争性吸附实验表明了在Pb~(2+)、Zn~(2+)、Co~(2+)和Cu~(2+)共存的情况下,SH-3-MCM-41显示了对铜离子的高度选择性;SH-3-MCM-41能够用作微量铜离子的富集材料而且它的再生能力很好。 本文还采用NH_2-MCM-41和乙二胺四乙酸二钠(EDTA)共聚,将低廉高效的螯合剂EDTA引入到MCM-41的骨架上,成功制备出一种新型的改性介孔材料EDTA-MCM-41。利用现代分析测试手段对其进行表征,并用元素分析法检验其在不同pH值的溶液里的稳定性。然后将它用作废水中铜离子的吸附剂,深入考察了它的等温吸附和动力学特征、对微量金属的富集能力、再生能力,并确定了溶液中不同阴离子的存在对其吸附铜离子的影响。吸附结果显示:EDTA-MCM-41对铜离子的吸附行为可用Langmuir模型来模拟,最大吸附量为33.22mg/g,吸附反应的半衰期为2.04min;EDTA-MCM-41对溶液中微量金属的富集能力很强,五次循环吸附后,吸附剂对铜离子的去除率仍然高达90.9%;不同阴离子的存在对EDTA-MCM-41吸附铜离子的影响很小,具体影响顺序为:NO_3-=CO_3~(2-)Cl_-CN~-。这些结果表明EDTA-MCM-41是一种处理含铜离子废水的优越吸附剂。


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