三维载硫层状双金属氧化物的制备及其对有机染料的去除

作     者：张凌杰 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：章萍;刘足根

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：层状双金属氧化物 硫酸根基团 改性 阴离子型偶氮染料 吸附 

摘      要：21世纪以来,随着工业化进程加快,纺织、染色、皮革等行业产生的有机印染废水引发的环境问题愈发严重,产生的有机废水亟待治理。吸附法因其效率高、成本较低、适用范围广且操作简单等优点,在治理有机染料废水方面具有独特的优势。层状双金属氧化物(LDO)作为一种高潜力的环境友好型吸附剂,可有效去除水体中的多种污染物,被广泛应用于有机染料废水的治理。利用SO基团对材料进行功能化改性不仅能增加材料的吸附位点,而且S=O共价双键作为吸电子中心可提高对偶氮染料的吸附选择性。可见,负载SO基团的LDO在有机染料废水的治理方面具有潜在的应用前景。本文以课题组在前期研究中制备的三维含硫有机层状双金属氢氧化物(3S-LDH)作为前驱体,通过简单的煅烧制备出负载SO的三维LDO(3S-LDO)。在此基础上,本文通过调控材料合成参数,制备出结构和性能最佳的3S-LDO。并利用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电镜(SEM)、高分辨率透射电镜(HRTEM)、热分析分(TG-DTA)和Zeta电势分析等微观表征手段,探究了3S-LDO的结构形貌和理化性质。进一步,选择了常见的阴离子型偶氮染料甲基橙(MO)作为目标污染物,采用静态批量吸附实验考察体系p H、吸附剂投加量、溶液初始浓度、反应温度和反应时间等因素对3S-LDO吸附MO性能的影响。同时,借助吸附动力学模型、吸附等温模型、热力学模型,并结合吸附MO前后样品的XRD、FT-IR、XPS和SEM等表征结果,揭示3S-LDO对MO的反应机理。最后,通过选择性吸附实验、离子强度实验、实际废水实验、以及沉降与再生性能实验,证实了3S-LDO对MO的吸附具有实际应用价值。具体研究结果如下:(1)制备3S-LDO的最优SDS投加浓度、Mg:Al比及煅烧温度分别为0.1mol/L、2:1和700℃。优选参数后合成的材料的表征结果表明:3S-LDO的合成效果良好,其形貌为尺寸均一的纳米片单元弯曲交错形成的三维花状微球。而在结构上,3S-LDO由Mg AlO和微量的Mg SO组成,其表面存在大量通过Mg-S键联结的SO基团。此外,3S-LDO具有介孔结构,比表面积和孔容积分别为30.2 m/g和0.18 cm/g,在溶液中表面呈电中性。(2)系统地研究了体系p H、吸附剂投加量、溶液初始浓度、反应温度和反应时间等因素对3S-LDO去除MO的性能影响。研究表明:在吸附剂投加量为0.3 g/L,反应温度为25℃,反应时间为2 h,初始MO浓度为2000 mg/L时,3S-LDO对MO的最大吸附量高达4255.7 mg/g。(3)3S-LDO对MO的去除过程符合Langmuir等温吸附模型和准二级动力学模型,表明其对MO的吸附过程是一种单层的化学吸附。热力学分析表明:3S-LDO对MO的去除反应为自发、放热的过程,较低的温度有利于吸附反应的进行。颗粒内扩散模型分析表明:吸附过程分为表面吸附和颗粒内扩散两个阶段。由吸附MO前后样品的XRD、FT-IR、XPS和SEM等表征分析可知:3S-LDO对MO的吸附机理受到初始MO浓度影响。3S-LDO对MO的吸附机理均与SO基团的电子供体-受体作用(EDA作用)和金属氧键(如:Mg-O、Al-O)的络合作用有关,且EDA作用随着MO浓度的增加而增强;而当MO浓度较大时(1000 mg/L),除上述两种相互作用外,3S-LDO还可以通过“记忆效应对MO进行吸附去除。(4)3S-LDO对MO的吸附去除具有实际应用性。无论在含有常见的无机阴离子的MO溶液还是实际的MO废水中,3S-LDO均能有效实现对MO的吸附去除,证实了其优异的抗干扰能力和实用性;此外,将3S-LDO投加至由阴离子型偶氮染料甲基橙(MO)和阳离子型非偶氮染料亚甲基蓝(MB)组成的混合溶液中,3S-LDO表现出对MO出色的选择吸附能力;同时,3S-LDO具有优异的沉降性能,有利于吸附饱和后的分离再生。在进行5次吸附-脱附循环后,3S-LDO仍能保持对MO超高的吸附能力,表明3S-LDO具有优异的循环再生性能,是一种优秀的阴离子型偶氮染料吸附剂。