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蒙脱土、高岭土和层状双金属氢氧化物对Pb~(2+)和对硝基苯酚的吸附研究

张树芹  
【摘要】: 随着工农业生产的发展,污染物的排放量日趋增多,对生态安全和人类健康造成严重威胁,其中重金属污染就是亟需解决的环境问题之一。目前,重金属污染土壤的修复及废水的处理已成为环境科学与工程领域的研究热点。重金属在固-液界面的吸附-脱附行为是决定重金属的地球化学过程和环境生态效应的根本问题,对这一基本现象的科学认识,是了解重金属污染物形态分布、迁移转化和归宿、开发污染土壤修复及废水处理技术的基础。前期虽然已对重金属在固-液界面上的吸附现象进行了大量研究,且对其吸附规律有了较全面的认识,但对吸附机理的了解并不十分清楚,这主要是由吸附体系的复杂性所致。另外,所研究的吸附剂多是带负电荷的,带正电荷的吸附剂涉及很少。 本文选择带结构负电荷的蒙脱土、基本不带结构电荷(或带微量结构负电荷)的高岭土和带结构正电荷的层状双金属氢氧化物(Layered double hydroxides,简称LDHs)为模型吸附剂,研究了对重金属铅的吸附行为,考察了多种因素的影响,以期探讨结构电荷(或由此引起的界面相微环境酸碱性)对重金属吸附的影响规律,加深对吸附机理的认识。同时,考察了煅烧层状双金属氢氧化物(CLDHs)、LDHs-EDTA纳米杂化物等对铅和对硝基苯酚的吸附,以期为高效吸附剂的开发提供信息。 主要研究内容和结论归纳如下。 一、蒙脱土和高岭土对Pb~(2+)的吸附作用及机理研究 主要研究了Pb~(2+)在蒙脱土和高岭土上的吸附性能,考察了温度、pH值、离子强度和吸附剂含量等因素对吸附的影响,并结合X射线光电子能谱(XPS)、XRD和比表面积等实验结果探讨了吸附机理。研究表明,蒙脱土和高岭土吸附Pb~(2+)的动力学曲线符合准二级动力学方程和Elovich方程,等温线符合Langmuir方程。以mg/g为单位时,蒙脱土的饱和吸附量明显高于高岭土,而以mg/m~2为单位时,二者相近。吸附量主要由黏土的比表面积决定,而吸附力由黏土的结构电荷密度决定。Pb~(2+)在蒙脱土和高岭土上的吸附机理可分为化学键合吸附(或内络合层吸附)和静电键合吸附(或外络合层吸附),其中静电键合吸附主要为结构负电荷位吸附。化学键合吸附具有强的选择性和不可逆性,不受离子强度的影响;静电键合吸附没有选择性,具有较强的可逆性,受离子强度的影响较大。化学键合吸附和静电键合吸附的相对量与pH有关;在pH小于4和大于8的范围内,化学键合吸附为主,而在pH4~8范围内静电键合吸附比例增大。pH增高,吸附量增高;温度、离子强度和吸附剂含量增大,吸附量下降。Pb~(2+)能进入蒙脱土的层间,而不能进入高岭土的层间;部分Pb~(2+)可进入黏土颗粒的微孔中被固定。EDTA可明显降低Pb~(2+)在蒙脱土上的吸附,而基本不影响在高岭土上的吸附。 二、层状双金属氢氧化物及其煅烧产物对Pb~(2+)的吸附作用 合成了Mg/Al摩尔比分别为1:1和2:1的Mg-Al-LDHs样品(MgAl-LDH和Mg_2Al-LDH)及其煅烧产物(MgAl-CLDH和Mg_2Al-CLDH),同时还合成了乙二胺四乙酸(EDTA)-LDH纳米杂化物,考察了它们对Pb~(2+)的吸附作用。结果表明,Mg-Al-LDHs和Mg-Al-CLDHs对Pb~(2+)均有很强的吸附能力,有望成为一类新型高效吸附剂;吸附动力学符合准二级动力学过程,吸附等温线符合Freundlich方程。吸附量在pH=3~10的范围内变化不大。电解质可抑制Pb~(2+)在Mg-Al-LDHs上的吸附,但基本不影响在Mg-Al-CLDHs上的吸附。吸附机理为表面络合吸附,在Mg-Al-LDHs上的吸附同时存在化学键合(内层络合)吸附和静电键合(外层络合)吸附,而在Mg-Al-CLDHs的吸附主要为化学键合吸附。 Mg-Al-CLDHs对Pb~(2+)的吸附能力明显高于相应的Mg-Al-LDHs;EDTA-LDH纳米杂化物也明显高于相应的Mg-Al-LDHs,表明EDTA的插入具有协同增效作用。 三、对硝基苯酚在Mg_2Al-LDH及其煅烧产物上的吸附 研究了对硝基苯酚在Mg_2Al-LDH和Mg_2Al-CLDH上的吸附,考察了pH、温度等因素的影响。结果表明,对硝基苯酚在Mg_2Al-LDH和Mg_2Al-CLDH上均有明显吸附,其吸附等温线均符合Freundlich等温式;在Mg_2Al-LDH上的吸附动力学符合双常数方程,而在Mg_2Al-CLDH上符合准一级动力学速率方程和Elovich方程;在Mg_2Al-CLDH上的吸附速率和吸附量明显高于Mg_2Al-LDH。初始pH在3~10范围内变化对吸附量的影响不大。温度升高,吸附量增大。CLDHs有望成为一种新型的高效酚类有机污染物处理剂。


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