凹凸棒石/纳米铁复合材料的制备及去除亚甲基蓝的研究

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纳米铁因具有强还原性、几何尺寸微小、制备成本低等特点被广泛用于吸附降解水体中的有机污染物,但是纳米铁也存在易被氧化、易团聚等问题而使其应用受到限制,为了解决这个问题,本文选择以经过改性后(HCl/十二烷基二甲基苄基氯化铵)的凹凸棒石作为纳米铁的载体,通过液相还原法制备了两种改性凹凸棒石/纳米铁复合材料,并应用于亚甲基蓝的吸附去除。通过单因素试验法优化了材料制备工艺;利用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、热重分析(DSC-TG)、比表面积分析(BET)等表征手段分析了复合材料的微观形貌、晶体结构、比表面积、热稳定性等;优化了两种复合材料对亚甲基蓝的去除工艺;探讨了有机超声改性凹凸棒石负载纳米铁(DDBAC/ATP/n ZVI)复合材料对亚甲基蓝的去除机理。主要研究工作和结果如下:第一部分工作是制备了酸改性凹凸棒石负载纳米铁(H/ATP/n ZVI)复合材料,并将材料应用于亚甲基蓝的吸附去除。(1)H/ATP/n ZVI复合材料的最佳制备工艺为:对凹凸棒石原土进行提纯、酸化,采用液相还原法负载纳米铁,其中铁土比1:3,KBH4浓度为0.075 mol/L,反应时间3 h。(2)H/ATP/n ZVI复合材料具有凹凸棒石原土的层状晶体结构,杂质得到一定程度的去除,且纳米铁呈颗粒状负载在凹凸棒石的表面。(3)当投加量为2.0 g/L时,在p H值为4、反应温度为30℃、反应时间为30 min的条件下,H/ATP/n ZVI复合材料对25 m L 300mg/L的亚甲基蓝去除率可达到97.02%,最大吸附去除量为158.34 mg/g。第二部分工作是制备了DDBAC/ATP/n ZVI复合材料,并详细探讨了材料吸附去除亚甲基蓝的工艺及去除机理。(1)DDBAC/ATP/n ZVI复合材料最佳制备工艺为:选择十二烷基二甲基苄基氯化铵(DDBAC)作为有机改性剂、添加量为20 mmol/100 g,对提纯且在300℃下焙烧1.5 h后的凹凸棒石进行有机超声改性,超声时间为20 min,进一步在有机改性凹凸棒石上进行纳米铁的负载,铁土比1:3、KBH4浓度为0.25 mol/L、反应时间为3 h。(2)DDBAC/ATP/n ZVI复合材料具有凹凸棒石原土的层状晶体结构,有机改性剂嫁接在凹凸棒石上,使纳米铁呈球状均匀分散在凹凸棒石表面,复合材料在60天内性能稳定。(3)2.0 g/L的DDBAC/ATP/n ZVI复合材料在p H值为6、反应温度为40℃、反应时间为30min的条件下对25 m L 150 mg/L的亚甲基蓝去除率可达到96.56%,最大吸附去除量为111.99 mg/g。(4)DDBAC/ATP/n ZVI复合材料对亚甲基蓝的吸附去除数据符合Lagergren二级动力学模型及Langmuir模型;计算的热力学参数ΔG值均<0、ΔS>0、ΔH>0,表明吸附过程是自发进行的吸热反应。(5)DDBAC/ATP/n ZVI复合材料吸附去除亚甲基蓝的机理可能为:凹凸棒石经有机改性后,亚甲基蓝更容易被吸附到复合材料表面,复合材料中的纳米铁与亚甲基蓝中的生色基团-C=N-发生反应,-C=N-被还原为-C-NH-,且Cl-被脱去,而纳米铁转化为Fe3+
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