镁锰铝复合氧化物的制备及其对Cr(VI)的吸附性能研究

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本论文采用共沉淀法制备出Mg/Mn/Al-LDHs,并研究了其经过450℃焙烧后的该复合氧化物对Cr(Ⅵ)的吸附性能,同时采用XRD、FT-IR、TG-DSC、SEM等对吸附材料进行了表征。考察了Mn的含量、焙烧温度、焙烧时间、pH值、吸附剂投加量、Cr(Ⅵ)的初始浓度、吸附时间和共存离子等因素对Mg/Mn/Al-0.5-LDO-450吸附除Cr(Ⅵ)性能的影响,同时对其吸附除Cr(Ⅵ)的动力学和热力学进行了研究,此外对该吸附剂再生可行性及吸附机理进行了探讨。  通过XRD、FT-IR、TG-DTA、SEM对Mg/Mn/Al-LDHs及A1/Mg/Mn-0.5-LDO-450进行了表征,结果表明:制备出的Mg/Mn/Al-LDHs均具有较强的水滑石特征衍射峰,其中Mg/Mn/Al-0.5-LDHs的结晶效果最好,经过450℃焙烧后失去层状结构,层板坍塌,并最终形成复合氧化物,FT-IR、TG-DSC和SEM表征结果进一步验证了合成的产物具有水滑石类化合物的特征;经测定Mg/Mn/Al-0.5-LDHs和Mg/Mn/Al-0.5-LDO-450的比表面积分别为87.503m2/g和177.642m2/g;等电点测定结果表明Mg/Mn/Al-0.5-LDO-450的等电点为11.76。  通过摇床实验考查了制备因素及实验条件对Al/Mg/Mn-0.5-LDO-450吸附除Cr(Ⅵ)的效果的影响。研究表明:随着锰元素含量的增加其对Cr(Ⅵ)的吸附效果逐渐下降;当焙烧温度控制在450℃~550℃时,其对Cr(Ⅵ)的吸附效果最佳;焙烧时间对吸附效果的影响不大,经450℃焙烧2h后,层间CO32-离子和水分子基本脱除,吸附效果基本保持不变;研究发现加入锰元素后能够提高其对环境的pH值变化的适应能力,溶液的初始pH值对吸附效果影响较小;当Cr(Ⅵ)初始浓度为100mg/L时,吸附剂最佳投加量为2g/L;初始浓度由50mg/L增加到200mg/L,吸附去除率从99.9%下降到67.2%,而Cr(Ⅵ)的吸附量由23.3mg/g增加到64.9mg/g;其对Cr(Ⅵ)吸附过程可分为两个阶段:前4h为快速吸附阶段,去除率随吸附时间近似于直线递增关系,9h后属于吸附中后期阶段,随着吸附时间的增加,吸附量基本保持不变,吸附达到平衡;研究表明溶液中共存阴离子的浓度越高,阴离子的电荷越高,离子半径越小对Cr(Ⅵ)去除效果影响越大,共存阴离子对吸附效果的影响顺序依次为:PO43->SO42->Cl->NO3-。  再生可行性实验研究表明:再生效果Na2CO3>NaOH>NaNO3>H2O;再生效果随着再生液浓度的增加而增加,但当再生液浓度超过0.1mol/L,提高再生液浓度对再生效果影响不大。采用0.1mol/L Na2CO3作为再生液时其再生率达到63.2%;随着再生次数的增加,吸附去除率逐渐下降,再生一次后吸附去除率从98.3%下降到64.9%,吸附剂再生三次吸附去除率为47.4%,说明其具有一定重复利用性;采用Na2CO3作为再生液时,准二级动力学方程能更好的拟合解吸实验的动力学数据,相关系数R2>0.99;当采用0.01mol/L Na2CO3、0.05mol/L Na2CO3、0.1mol/LNa2CO3作为再生液时,其最大解吸量分别为:29.1mg/g、32.36mg/g、33.00mg/g。  吸附动力学研究表明Lagergren准二级动力学模型能更好地描述Mg/Mn/Al-0.5-LDO-450对Cr(Ⅵ)的吸附行为,相关系数R2均大于0.999,随着温度的升高最大吸附量略有增加,通过拟合参数求得的理论吸附量略大于实验所测得平均值。吸附热力学实验研究表明Mg/Mn/Al-0.5-LDO-450吸附除Cr(Ⅵ)的吸附等温线宜采用Langmuir吸附等温方程进行描述。热力学参数表明吸附过程为自发的吸热反应,△G0绝对值随着吸附反应温度的升高而增大,表明提高反应的温度有利于吸附过程的进行。Mg/Mn/Al-0.5-LDO-450吸附除Cr(Ⅵ)的活化能E为27.368kJ/mol,可以初步判定其对Cr(Ⅵ)吸附类型属于化学吸附。  Mg/Mn/Al-0.5-LDO-450吸附除Cr(Ⅵ)的机理主要是依靠其具有结构记忆效应从溶液中吸附铬酸根离子达到结构重建,从而实现吸附去除Cr(Ⅵ)的目的,此外由于其具有比较大的比表面积,因此表面吸附也具有一定的作用。
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