硅藻土基吸附剂的制备、表征及其染料吸附特性研究

【摘要】： 纺织印染、造纸、塑料及皮革等工业每年都产生大量的染料废水，由于许多染料为含偶氮键、多聚芳香环的复杂有机物，可致畸、致癌、致突变，因此，这类废水中染料的去除非常重要。许多染料抗氧化、难降解，采用吸附剂去除废水中的染料具有较大优势。活性炭是一种有效的吸附剂，但价格昂贵，限制了它的广泛应用；而硅藻土资源丰富，多孔、比表面积大，有望成为一种高效廉价的吸附剂。然而，硅藻土原料吸附性能较差，需要进一步提高它的染料吸附性能，目前这方面的研究工作尚少，关于硅藻土染料吸附的应用、理论等方面的研究都有待完善。 本文根据硅藻土矿物可有效改造的结构特征，通过活化、引入第二组分进行改性等方法，提出氢氧化镁改性及聚丙烯酰胺改性硅藻土基吸附剂制备技术，提高了硅藻土的染料吸附性能；由此，本论文率先开展了硅藻土基吸附剂的制备工艺、材料表征、染料吸附性能、染料吸附理论、染料废水处理应用这一较为系统的研究工作；在其中的理论研究中，本文对浓度比形式的准一级、准二级吸附动力学速率方程进行了修正，并在本文的染料吸附动力学研究中进行应用，验证了其可行性；而且，在染料吸附等温线模型、动力学、热力学研究的基础上，本文提出了硅藻土吸附剂的染料吸附机理。主要的研究成果如下： 1、研究发现，硅藻土原料对染料溶液吸附时，杂质的存在使吸附后染液对480 nm以下的可见光吸收增强，并影响它的染料吸附性能；经450℃热活化后，杂质被去除，比表面积S_(BET)从67.17减小到52.56 m~2·g~(-1)，平均孔径从8.847增大到10.29 nm，零电荷点pH_(zpc)由3.2提高到4.5左右，对染料溶液的脱色率增大。 2、首次进行氢氧化镁改性硅藻土(MGMD)、聚丙烯酰胺改性硅藻土(HPMD)吸附剂的研究，并提出了它们的制备工艺。结果表明，MGMD中Mg(OH)_2的较佳含量在14％左右，HPMD中聚丙烯酰胺的较佳含量在0.8％左右；MGMD的材料表征结果显示，MGMD比表面积为57.84 m~2·g~(-1)，平均孔径9.686 nm，ξ电位测定时其表面出现3次电荷反转，分别表示硅藻土等电点、Mg(OH)_2沉淀开始及Mg(OH)_2等电点；染料吸附结果显示，MGMD对阴离子染料的脱色率大于活性炭，HPMD对阳离子染料的脱色率接近于活性炭。 3、研究了吸附剂浓度、盐的加入、吸附时间、pH值等因素对硅藻土吸附剂染料吸附的影响。发现了亚甲基蓝(MB)染液在较高pH条件下，因水解或形成二聚体对可见光的吸收强度随时间不断降低的现象。根据此现象，本文提出，pH值增大，硅藻土或其它矿物吸附剂对MB脱色率增大的原因有两个：一是pH值越大，吸附剂表面负电荷量越多，因此对阳离子染料MB的吸附增大；二是在高pH下，MB自身水解或形成二聚体导致脱色率增大。由于MB是表征吸附剂吸附性能最常用的染料之一，该发现对于其它吸附剂的研究也具有参考价值。 4、修正了浓度比形式的准一级、准二级动力学速率方程。对动力学实验数据拟合时，它们能更直观地表现吸附质浓度随时间的变化过程，而且在平衡吸附容量q_e未测定的情况下，它们均可根据动力学数据直接预测吸附剂的q_e值；从而发展了准一级、准二级动力学模型新的应用模式。 5、研究了热活化硅藻土与MGMD吸附剂的染料吸附等温线模型、动力学模型、热力学参数，并提出了它们的染料吸附机理。结果表明，在Langmuir、Freundlich及Redlich-Peterson模型中，它们对染料的吸附等温线最符合Redlich-Peterson模型；它们对染料的吸附过程则更符合准二级动力学模型；它们对染料的吸附机理为：通过静电引力、氢键、n-π作用及范德华力吸附染料分子，其中，静电引力和氢键吸附起主要作用。