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介孔二氧化硅纳米颗粒处理纺织废水的研究

Asif Jamal Khan  
【摘要】:自然资源和人为活动排放过量的有毒物质、气体、热量、噪音和辐射,导致了自然环境失衡。此外,人口增长和城市化发展促进了合成材料的应用,这极大地影响了自然环境,并对生态系统造成了不可逆转的破坏。这些污染物影响了空气,水和土壤的质量以及人类健康。地球被许多环境健康问题困扰着。其中,水污染是一个对环境构成了严重威胁的重大问题。纺织工业产生的废水占总体废水排放量的20%。预计到2023年,全球纺织染料市场将以每年8.13%的速度增长。这无疑将对气候,人类和动物产生重大影响。因此,必须从立法和技术角度适当解决纺织废水处理问题。由于水资源短缺以及环境法规的要求,纺织品制造商正在寻找可持续的废水处理解决方案,以帮助他们最大程度地减少水足迹并降低运营成本。因此,就目前的问题而言,可持续的废水处理可能是纺织工业的最佳选择。当前,纺织废水的处理缺乏一个可靠的,具有成本效益的和长期的解决方案。本研究旨在开发一种高效、低成本的介孔二氧化硅基纳米吸附剂体系,用于去除活性染料。介孔二氧化硅具有高比表面积、孔体积大、孔径均匀、水热稳定性好等特点,是目前研究的热点。MCM-41的表面具有游离的活性硅烷醇基团(-Si-OH)。这些基团可以与染料分子相互作用。活性硅烷醇可以很容易地与甲硅烷基化剂反应以获得表面功能化材料。吸附是基于不同染料对吸附剂的亲和力,由于其对几乎任何形式的色素都有很好的去除能力,吸附已成为染料去除的首选方法之一。这项研究还旨在创造无毒,生物相容,可回收和可重复使用的吸附材料。为此,我们制备了六边形对称、高比表面积、纳米尺寸的MCM-41型介孔二氧化硅纳米材料,并将其用于提取活性染料亮绿和活性蓝-15。采用表面工程技术来提高染料去除能力和选择性。使用溶胶-凝胶法合成MCM-41介孔二氧化硅及其衍生物,然后采用后接枝方法对其进行改性,使其表面硅烷醇基团与甲硅烷基化剂发生反应。在两组不同的实验中,使3-氨丙基三乙氧基硅烷与甲基丙烯酸==缩水甘油酯(GMA)和戊二醛(GA)反应,生成两种新型桥联硅烷化剂。将制备的桥联倍半硅氧烷分别接枝到煅烧二氧化硅MCM-41上,制备了 MCM-41GMA和MCM-41GA。通过将N-[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]乙二胺直接接枝到煅烧二氧化硅MCM-41上,制得另一种具有长侧胺链的材料MCM-41H。这些材料具有良好的孔结构,以及与染料分子相互作用的活性结合位点。GA和GMA单体刚性桥联网络的形成使得对这些材料微孔的控制成为可能。多孔材料提取染料分子的能力与空隙空间的大小,形状和体积的分布直接相关。采用红外光谱、氮吸附/脱附、X射线衍射、扫描电镜、元素分析、核磁共振和热重分析等方法对制备的纳米结构MCM-41及其衍生介孔材料的结构和化学性质进行了表征。用合成的材料从水中提取阳离子染料亮绿(BG)和阴离子染料活性蓝15(RB-15)。在优化的条件下,煅烧二氧化硅MCM-41对阳离子染料亮绿(BG)的吸附量高达1.7mmol/g。在pH=4条件下,5h内达到最大吸附量,对阴离子染料RB-15的吸附量为零。相反,MCM-41GA、MCM-41GMA和MCM-41H对RB-15的吸附量分别为0.062;0.13;和0.24mmol/g。动力学研究表明,在室温下5小时内,BG染料的去除率约为75%。由于活性染料RB-15表面存在与染料分子相互作用的官能团,表面改性材料对活性染料RB-15具有很高的结合亲和力。结果表明,在中性pH条件下,4小时内染料去除率可达50%~80%。拟一阶、拟二阶、Langmuir、Freundlich、Sips、Temkin 和 Dubinin-Radushkevich数学模型用于预测系统效率。制备的介孔二氧化硅纳米粒子对染料的吸附遵循准一级动力学,在MCM-41上BG的k1值为0.5 min-1,在MCM-41GA上RB-15的k1值为3.1 min-1;在 MCM-41GMA 上 RB-15 的 k1 值为0.4 min-1,在 MCM-41H 上 RB-15 的k1值为5.5 min-1。这说明吸附是通过扩散界面发生的。预测的吸附容量与实验值非常接近。吸附模型Sips与实验数据拟合较好,说明了染料在材料上的吸附机理,MCM-41、MCM-41GA、MCM-41GMA 和 MCM-41H 的 R2 值分别为 0.95、0.99、0.99 和0.93,这表明染料分子在这些材料表面形成了多层膜。我们将所提出的吸附材料的染料去除能力与文献报道进行了比较,发现介孔二氧化硅纳米吸附剂具有较高的吸附容量。研究结果表明,纳米结构的硅酸盐是一种简单、有效、廉价、便捷的吸附剂,可以在正常pH和温度条件下直接选择性地去除水中的活性染料。该方法是一种选择性吸附过程。同时,我们制备的二氧化硅纳米颗粒可以作为阳离子和阴离子染料萃取的分离方法。


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