氧化锆功能化的中孔氧化硅吸附去除水中磷酸盐的研究

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水体富营养化是目前最为严峻的环境问题之一,控制水体中的磷酸盐一直是研究的热点。其中,ZrO2作为吸附剂,吸附去除水体中的磷酸盐已被证明有良好的效果。将ZrO2分散在具有优良表面性质的中孔硅基材料表面合成新型吸附剂,用于磷酸盐的吸附则是本论文的研究主题。本论文采用液晶模板技术合成SBA-15和HMS作为载体,以四丙氧基锆为改性剂,采用后嫁接法合成了四种氧化锆表面功能化的中孔吸附剂,对这些吸附剂进行了XRD、TEM、XPS、XRF、Zeta电位测定等表征,研究了它们对磷酸盐的吸附行为和相应的影响因素,得到的主要结论如下:  (1)合成中孔硅基材料SBA-15、HMS,采用后嫁接法分次合成SBA-15-Zr、SBA-15-Zr2、SBA-15-Zr3及HMS-Zr四种锆化材料。锆化SBA-15和锆化HMS仍然保持有序的中孔结构,由于ZrO2嫁接于硅基载体孔道的内表面,造成比表面积、孔体积和中孔比率相比于锆化前产生规律性的下降。  (2)一次嫁接的SBA-15-Zr和HMS-Zr表面含有Si-O-Zr键,多次嫁接的SBA-15-Zr2和SBA-15-Zr3表面同时含有Si-O-Zr和Zr-O-Zr键,表明锆化材料表面可形成单层或多层负载的Zr-OH。SBA-15锆化前后,其等电点由1.9变为5.1/5.7,HMS则由2.0变为5.0,有利于对水体中磷酸盐的吸附。  (3)SBA-15、HMS对磷酸盐几乎没有吸附,而SBA-15-Zr、SBA-15-Zr2、SBA-15-Zr3、HMS-Zr对磷酸盐的饱和吸附量分别达到(82、14.6、17.9、10.0)mg·g-1,吸附量随着氧化锆含量的增加而增大,表明Zr-OH是有效吸附位点,其吸附等温线符合Freundlich拟合;锆化材料对磷酸盐的吸附与溶液pH呈负相关与离子强度呈正相关关系,表明吸附机制为配位交换和静电吸引的双重作用;吸附过程为自发进行的吸热过程,吸附平衡时间随着磷酸盐初始浓度的增大而变长,动力学过程符合二级动力学。
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