富硫层状双金属氧化物对水中重金属选择性吸附及其机理研究

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随着各种工业活动和技术的快速发展,有毒重金属的水污染问题日益严重。其中,铅(Pb2+)作为最常见的有毒重金属,因毒性高?易生物积累及难降解等特性,已成为当前水污染控制领域中的热点问题。吸附法具有效率高、成本较低、适用范围广且操作简单等优点,在治理含Pb2+废水方面展现出独特的优势。然而,传统的吸附剂对于废水中Pb2+的去除能力有限,无法满足严格的排放标准。同时,由于含Pb2+废水中通常含有多种共存的金属离子(如:Ni2+、Cu2+、Cd2+等),对Pb2+的去除产生了严重的干扰。因此,制备出对Pb2+具有高效选择性吸附性能的吸附剂具有重要意义。本文利用高温煅烧法,以课题组前期制备的含硫有机层状双金属氢氧化物(S-FLDH)作为前驱体,在有氧条件下高温热解制得富硫层状双金属氧化物(S-FLDO),并探究了煅烧温度对其组成和性能的影响。借助XRD、FT-IR、XPS及SEM和EDS-mapping等微观表征,探究了最佳煅烧温度下S-FLDO的化学组成和结构形貌;通过静态吸附实验探究溶液初始浓度、反应时间、反应温度和体系p H对其吸附性能的影响;采用吸附等温模型、吸附动力学模型以及热力学分析等手段对Pb2+在S-FLDO上的吸附行为进行了深入研究。同时,考察了S-FLDO在单一和混合体系下对Pb2+的选择性吸附能力,并揭示了其对Pb2+的选择性吸附机理;最后,利用XRD、FT-IR、XPS和SEM等微观表征对Pb2+吸附前后样品的结构形貌、组成以及官能团等变化进行了全面地探究,厘清了S-FLDO对Pb2+的吸附机理。具体研究结果如下:(1)结合不同煅烧温度下样品的微观表征和除Pb2+性能实验,揭示出制备S-FLDO的最优煅烧温度为700℃。在此条件下,制备出的S-FLDO主要由Mg Al2O4和Mg SO4组分组成,表面负载有通过Mg-S键联结的SO42-基团;形貌上呈现出由交叉的纳米片组成的典型的花状微观结构。(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S-FLDO去除Pb2+的性能影响。结果表明:S-FLDO具有优异的抗p H干扰能力,在吸附剂投加量为1.0 g·L-1,反应温度为318 K,反应时间为30min,初始Pb2+为1000 mg·L-1时,S-FLDO对Pb2+的最大吸附量可达875 mg·g-1。整个吸附过程符合Langmuir等温吸附模型和准二级动力学模型,表明S-FLDO对Pb2+的吸附是一种单层的化学吸附。吸附热力学分析揭示S-FLDO对Pb2+的反应过程是自发吸热反应。(3)S-FLDO对Pb2+具有高效的选择性吸附能力。在单一体系下,S-FLDO对Pb2+吸附的分配系数(Kd)为10~6,远大于其他常见的金属离子(如:Cu2+、Ni2+、Co2+和Cd2+)。在多金属的混合体系中,S-FLDO仍表现出对Pb2+具有更强的选择性吸附能力。进一步的研究发现:高效选择性机理主要与金属的特性(如离子半径、电负性属性)和软硬酸碱理论有关。(4)由吸附Pb2+前后样品的XRD、FT-IR及XPS和SEM等微观表征的分析可知:S-FLDO对Pb2+的吸附受到初始浓度的影响。在低浓度(10 mg·L-1)下,Pb2+通过与S-FLDO中的Mg2+间的离子交换作用形成Pb SO4沉淀以及与SO42-基团间的络合作用而被去除;在中高浓度(100和1000 mg·L-1)下,除离子交换和络合作用外,Pb2+还能通过LDO的水化作用形成Pb3(CO3)2(OH)2沉淀而被去除。(5)S-FLDO在自来水、电镀废水和湖泊水三种实际水体体系下对Pb2+仍可以保持出色的去除率,且S-FLDO对Pb2+的去除性能随循环再生次数增加仅轻微的下降,表明S-FLDO材料具有良好的稳定性和再生性能,在实际废水处理方面具有潜在的应用价值,是一种优秀的含铅废水吸附剂。
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