基于腐殖质和水滑石的复合吸附剂的组装与性能研究

【摘要】：我国生产生活废水种类繁多,吸附处理作为一种快速有效的途径,在废水处理中得到了广泛的应用,因此开发新型复合吸附剂具有重要意义。本文基于腐殖质和水滑石(LDH)的特殊性质,制备了两种新型复合吸附剂。通过LDH晶核在共沉淀过程中的混凝以及富里酸大分子(FA)的吸附架桥作用,组装合成了富里酸锚接水滑石多功能复合吸附剂(LDH-FA)。另外,以非生物催化腐殖化理论为基础,采用离子交换-焙烧-水化复原的方法合成了腐殖质催化剂Fe_3O_4镶嵌LDH,然后在儿茶酚和甘氨酸溶液体系中,通过原位催化腐殖化反应,自组装合成了三明治结构的类腐殖质(HLS)负载水滑石复合吸附剂(LDH-HLS)。复合吸附剂LDH-FA的研究表明,大尺寸的FA分子锚接在LDH层板表面,LDH层间域仍然是可交换的阴离子,因此该复合吸附剂可同时吸附去除阴离子污染物和阳离子重金属。LDH-FA对偶氮染料Orange II的吸附是离子交换过程,其吸附容量可达1.9 mmol/g。LDH-FA对四种重金属,即放射性核素~(64)Cu、~(210)Pb、~(63)Ni和~(109)Cd的稳定同位素的吸附符合单分子层吸附模型,亲和力顺序为Cu~(2+)Pb~(2+)Ni~(2+)Cd~(2+),最大吸附容量可达2.5 mmol/g。在复合污染溶液中,LDH-FA能同时吸附阴离子Orange II和阳离子重金属,并且两种污染物之间存在协同吸附。复合吸附剂LDH-HLS的研究表明,阴离子Fe(C_6H_4O_7)~-插层LDH在550℃焙烧1 h后,层间域中Fe(C_6H_4O_7)~-氧化生成Fe_3O_4,通过在0.015 M HNO_3-30 wt%NaNO_3混合溶液中的水化复原,得到新型腐殖化催化剂纳米Fe_3O_4镶嵌LDH,其层间域为可交换的NO_3~-。在儿茶酚和甘氨酸的混合溶液中,复合吸附剂自组装包括小分子扩散、原位腐殖化并负载、液相腐殖化并负载和固体上腐殖化四个阶段。腐殖化反应中,主要消耗儿茶酚,儿茶酚氧化环裂并进一步缩合形成大分子HLS。不同有机负荷和pH下产生的HLS性质差异不大,分子量在1000-2000 g/mol,酸性官能团8.5 mmol/g左右。有机负荷越高,固体上负载的HLS越多,但腐殖化转化率降低。高pH能在一定程度上提高缩合程度,但会减少HLS的负载量。LDH-HLS复合吸附剂保留了LDH的层片状结构,在pH为2-11的范围均带负电。该合成方法可以资源化处理含酚废水的同时生成重金属吸附剂。LDH-HLS与四种重金属的吸附符合单分子层吸附模型,亲和力顺序为Pb~(2+)略大于Cu~(2+)Ni~(2+)≈Cd~(2+),最大吸附容量可达1.41 mmol/g。竞争吸附和升高pH,均能够促进重金属的吸附。