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改性埃洛石纳米管对染料的吸附性能研究

作　者: 刘瑞超
导　师: 张冰
学　校: 郑州大学
专　业: 环境科学
关键词: 埃洛石纳米管 Fe3O4-HNTs 吸附性能磁性能阴离子染料阳离子染料
分类号: X791
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

来源于纺织、印染等行业的染料废水中含有大量有机物和盐分,一直是废水处理中的难题。目前普遍采用高效、经济的吸附法作为处理染料废水的主要方法,由于天然矿物材料如高岭土、蒙脱土等储量丰富,价格低廉,且具有一定的离子交换能力,因此被广泛应用于染料废水的处理。埃洛石是一种粘土质的矿物材料,呈天然的纳米管状结构,随着纳米材料的研究深入,人们对埃洛石纳米管研究给予了广泛关注,而在处理染料废水领域还缺乏系统的研究；同时由于埃洛石粉体颗粒细小,从溶液中分离非常困难,且分离耗时、耗能,也限制了其在水处理领域的实际应用。因此,本文以埃洛石为原料,对其表面进行了改性,选择两种典型的阳、阴离子染料结晶紫和甲基橙作为吸附质,系统的考察了埃洛石对阳离子、阴离子染料废水的吸附性能；并利用化学沉淀法制备了Fe304-埃洛石磁性纳米复合材料,实现在磁场作用下从溶液中快速分离。具体研究内容如下：①系统研究天然埃洛石纳米管对阳离子染料废水的吸附性能：利用TEM和比表面孔径分析技术对埃洛石纳米管(HNTs)的形貌结构特征进行表征,结果显示HNTs管道通畅,比表面积较大。研究了HNTs对结晶紫废水的吸附性能,考察了结晶紫初始浓度、吸附时间、溶液温度、pH值、离子强度等因素对吸附过程的影响,实验结果表明：HNTs吸附速率较快,吸附过程基本不受pH值以及溶液温度变化影响,且符合准二级动力学模型,同时符合Langmuir模型和Freundlich模型。在298K时,HNTs对结晶紫单分子层最大吸附量为105.26mg/g,HNTs可经过简单的煅烧达到再生效果,实现重复使用,因此HNTs可作为高效的阳离子染料吸附剂。②系统研究了改性埃洛石纳米管对阴离子染料废水的吸附性能：利用十六烷基三甲基溴化铵(HDTMA)对HNTs进行表面改性,制备改性纳米管(HDTMA-HNTs)。采用TEM、FTIR、TG和比表面孔径分析等技术对改性前后HNTs的结构、形貌进行表征分析,结果显示季铵盐阳离子已成功接枝于HNTs表面,改性材料表面呈现正电性,可用于阴离子的吸附。考察HDTMA-HNTs对甲基橙染料废水的吸附效果,结果表明：与HNTs相比,HDTMA-HNTs对甲基橙的去除效果明显增强,吸附速率很快,吸附过程基本不受pH值以及溶液温度变化影响,且符合准二级动力学模型和Langmuir模型。在298K时,HDTMA-HNTs对甲基橙的单分子层最大吸附量为94.34mg/g,吸附剂可以再生重复使用,因此HDTMA-HNTs可作为阴离子染料的吸附剂。③利用快速沉淀法制备Fe3O4-HNTs磁性纳米复合材料,采用TEM、XRD、振动样品磁强计(VSM)和比表面孔径分析等技术对Fe3O4-HNTs的形貌、结构性质进行表征分析,结果显示Fe3O4-HNTs具有良好的顺磁性,可在外部磁场作用下与水体快速分离。考察Fe3O4-HNTs对结晶紫染料废水的吸附效果,结果表明Fe3O4-HNTs对结晶紫的吸附速率较快,吸附过程基本不受pH值、金属离子浓度以及溶液温度的变化影响。Fe3O4-HNTs对结晶紫的吸附过程符合准二级动力学模型,同时符合Langmuir模型和Freundlich模型。在298K时,Fe3O4-HNTs对结晶紫的单分子层最大吸附量为90.09mg/g,与HNTs相比没有明显的下降,吸附剂可以再生重复使用。因此Fe3O4-HNTs可作为高效吸附和快速分离的吸附材料使用。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-13
1 绪论  13-24
  1.1 染料废水的危害与污染现状  13-14
  1.2 染料废水的处理方法  14-18
    1.2.1 活性炭吸附  14-16
    1.2.2 树脂吸附  16
    1.2.3 生物吸附  16-17
    1.2.4 粘土矿物吸附  17-18
  1.3 埃洛石纳米管的结构、性质及应用  18-21
    1.3.1 埃洛石纳米管的结构  18-19
    1.3.2 埃洛石纳米管的性质和应用  19-21
  1.4 磁性复合材料  21-23
  1.5 本课题的研究目标和内容  23-24
2 埃洛石的表征及其对阳离子染料—结晶紫的吸附研究  24-38
  2.1 实验部分  24-26
    2.1.1 实验材料和仪器  24-25
    2.1.2 埃洛石样品预处理  25
    2.1.3 埃洛石表征  25
    2.1.4 吸附实验  25-26
    2.1.5 结晶紫溶液浓度测定方法  26
    2.1.6 吸附剂的再生  26
  2.2 样品的表征  26-28
    2.2.1 透射电镜分析  26
    2.2.2 比表面和孔径分析  26-28
  2.3 吸附因素对吸附性能的影响  28-31
    2.3.1 吸附剂用量的影响  28
    2.3.2 吸附时间对吸附性能的影响  28-29
    2.3.3 起始浓度和温度对吸附性能的影响  29-30
    2.3.4 pH对吸附性能的影响  30
    2.3.5 离子强度的影响  30-31
  2.4 吸附动力学  31-33
  2.5 吸附等温线模型研究  33-36
  2.6 热力学参数  36
  2.7 吸附剂的再生  36-37
  2.8 本章小结  37-38
3 埃洛石纳米管改性及对阴离子染料—甲基橙吸附研究  38-53
  3.1 前言  38
  3.2 实验部分  38-39
    3.2.1 实验材料和仪器  38
    3.2.2 HDTMA-HNTs的制备  38
    3.2.3 埃洛石表征  38-39
    3.2.4 吸附实验  39
    3.2.5 甲基橙溶液浓度测定方法  39
    3.2.6 吸附剂的再生  39
  3.3 样品的表征  39-43
    3.3.1 透射电镜分析  39-40
    3.3.2 红外分析  40-41
    3.3.3 热重分析  41
    3.3.4 比表面和孔径分析  41-42
    3.3.5 荷电性能测试  42-43
  3.4 吸附因素对吸附性能的影响  43-48
    3.4.1 改性对吸附作用的影响  43-44
    3.4.2 吸附剂用量的影响  44
    3.4.3 吸附时间对吸附性能的影响  44-45
    3.4.4 起始浓度和温度对吸附性能的影响  45-46
    3.4.5 pH对吸附性能的影响  46-47
    3.4.6 离子强度的影响  47-48
  3.5 吸附动力学  48-49
  3.6 吸附等温线模型研究  49-50
  3.7 热力学参数  50
  3.8 吸附剂的再生  50-51
  3.9 本章小结  51-53
4 磁性埃洛石纳米管的制备及其对结晶紫的吸附研究  53-66
  4.1 前言  53
  4.2 实验部分  53-54
    4.2.1 实验材料和仪器  53
    4.2.2 磁性埃洛石纳米管的制备  53
    4.2.3 埃洛石表征  53-54
    4.2.4 吸附实验  54
    4.2.5 结晶紫溶液浓度测定方法  54
    4.2.6 吸附剂的再生  54
  4.3 样品的表征  54-57
    4.3.1 透射电镜分析  54-55
    4.3.2 XRD表征  55
    4.3.3 比表面和孔径分析  55-56
    4.3.4 磁性测试  56-57
  4.4 吸附因素对吸附性能的影响  57-61
    4.4.1 吸附剂用量的影响  57-58
    4.4.2 吸附时间对吸附性能的影响  58-59
    4.4.3 起始浓度和温度对吸附性能的影响  59
    4.4.4 pH对吸附性能的影响  59-60
    4.4.5 离子强度的影响  60-61
  4.5 吸附动力学  61-62
  4.6 吸附等温线模型研究  62-63
  4.7 热力学参数  63-64
  4.8 吸附剂的再生  64-65
  4.9 本章小结  65-66
5 结论及展望  66-68
  5.1 结论  66-67
  5.2 展望  67-68
参考文献  68-72
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  72-73
  个人简历  72
  学术论文  72-73
致谢  73

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