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蒙脱石及其改性产物在废水处理和污染环境修复中的应用是环境科学与工程领域的热点之一。本文以主要成分为蒙脱石的天然膨润土为原料,对其进行提纯钠化,采用常规水相法制备有机蒙脱石及无机柱撑蒙脱石。运用X射线衍射分析(XRD)、BET表面及孔隙度分析、傅立叶红外光谱分析(FTIR)等手段对改性蒙脱石进行表征,研究了这些改性蒙脱石吸附剂对模拟含磷废水的吸附性能。论文的研究内容及主要结果如下:
1.对膨润土原土进行水洗提纯、氯化钠钠化处理,考察了膨胀容、膨润值、胶质价、吸蓝量、离子交换容量等指标,成功得到性能优良的钠化蒙脱石。
2.以钠化蒙脱石为基质,分别以十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)和聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDMDAAC)作为有机插层覆盖剂,以聚合羟基铝离子、聚合羟基铁离子、铁铝复合聚阳离子和钛聚合阳离子为无机柱撑剂,分别制备了两种有机改性蒙脱石和四种无机柱撑蒙脱石,并对其进行了XRD、BET、FTIR表征。结果表明,各改性剂已经进入到了蒙脱石层间,与目标产物一致。改性处理增大了蒙脱石的层间距、比表面积和孔体积,有利于对磷酸根的吸附。
3.考察了制备的CTMAB—蒙脱石和PDMDAAC—蒙脱石对水体中低浓度磷酸根的吸附作用。结果表明,两种有机蒙脱石对磷酸根的吸附效果较好,吸附能力PDMDAAC—蒙脱石>CTMAB—蒙脱石>钠化蒙脱石>膨润土原土。磷酸根在PDMDAAC—蒙脱石和CTMAB—蒙脱石上的吸附动力学更符合拟二级动力学方程。CTMAB—蒙脱石和钠化蒙脱石对磷酸根的吸附符合Langmuir和Freundlich方程(R2>0.98),PDMDAAC—蒙脱石对磷酸根的吸附较好的符合Langmuir方程,而膨润土原土对两种模型的拟合效果较差。
4.考察了制备的铝柱撑蒙脱石(Al—蒙脱石)、铁柱撑蒙脱石(Fe—蒙脱石)、铁铝复合蒙脱石(Fe—Al—蒙脱石)和钛柱撑蒙脱石(Ti—蒙脱石)对高浓度磷酸根的吸附情况,得到吸附磷酸根的最佳条件。结果表明,四种柱撑蒙脱石对磷酸根的吸附效果较好,且吸附效果Al—蒙脱石>Fe—蒙脱石>Fe—Al—蒙脱石>Ti—蒙脱石。无机柱撑蒙脱石对磷酸根的吸附更好的符合拟二级动力学方程。吸附等温线均较好的符合Langmuir和Freundlich方程。pH值对磷酸根吸附影响较大,高pH值不利于磷酸根的吸附,是由于OH—与PO34—发生强烈的竞争吸附所导致。吸附热力学计算的ΔH值足够大,保证了磷酸根与吸附剂之间的相互作用,正值的ΔS表明磷酸根在无机柱撑蒙脱石上的吸附过程中,固—液界面上的无序性增加。负值的△G和正值的ΔH表明,无机柱撑蒙脱石对磷酸根的吸附是一个自发的吸热反应,温度升高有利于其对磷酸根的吸附。
5.总体比较而言,改性蒙脱石对磷酸根吸附效果优于膨润土原土和钠化蒙脱石,无机柱撑蒙脱石对磷酸根的吸附效果优于有机蒙脱石,特别是铝柱撑蒙脱石,其吸附量比其他吸附剂高,是一种理想的具有开发潜力的除磷吸附剂。