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四氧化三锰的制备及吸附性能研究

作　者: 李长安
导　师: 陈上
学　校: 吉首大学
专　业: 应用化学
关键词: 四氧化三锰硫酸锰锰粉镉铅
分类号: O614.711
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

（1）采用硫酸锰两步法合成了低硫Mn3O4，实验研究了水解物的生成及洗涤条件对水解物及Mn3O4中硫酸根含量的影响。测定了不同加料方式、氨锰比、硫酸锰浓度、反应温度、氨水滴加速度条件下生成的水解物及其Mn3O4产品的硫酸根含量，并对水解物分别使用稀氨水硝酸铵溶液和水洗涤除硫，比较了匀浆及淋洗两种洗涤方式下的硫酸根含量。实验结果表明，在硫酸锰浓度0.5mol/L、温度60℃、氨水滴加时间20min、氨锰比3:1条件下，采用向硫酸锰溶液中滴加稀氨水的方法硫酸根含量相对较低，Mn3O4产率可达86.1%。对水解物采用匀浆洗涤能明显降低其硫酸根含量，效果优于淋洗方法，使用2%稀氨水匀浆洗涤两次所得Mn3O4的硫酸根含量可降低至0.09%。（2）实验研究了Mn-卤化铵-H2O体系中锰粉的水解反应，通过排水法定时定量测量锰粉水解反应放出的氢气，计算得到锰粉反应的转化率，实验结果表明氟化铵、氯化铵、溴化铵、碘化铵都能催化金属发生锰粉水解反应，随着氯化铵、溴化铵、碘化铵浓度增大转化率升高，氟化铵和氯化铵体系随温度升高转化率升高，在40℃、卤化铵浓度0.3739mol/L时，NH4I、NH4Br催化反应转化率相近，为91~92%，NH4Cl催化反应转化率为78.81%，NH4F催化反应转化率为22.86%，卤化铵催化能力次序为NH4I~NH4Br>NH4Cl>NH4F。（3）用NH4Cl、(NH4)2SO4以及HCOONH4作为催化剂两步法制备了四氧化三锰，研究了催化剂种类、温度、浓度对催化过程和产品的影响，测定了催化剂的反应级数和反应的表观活化能。结果表明：三种催化剂都能快速的催化锰粉水解，催化剂浓度较低时水解反应对催化剂呈一级反应，催化剂浓度过高时则偏离一级反应，锰粉水解时的表观活化能在20kJ/mol左右，说明温度对反应影响较小，主要受扩散过程控制，其它有机铵盐对催化锰粉水解速率比较表明，乳酸铵、酒石酸铵的催化效率要比氯化铵要高，琥珀酸铵与氯化铵的催化效率大约相等，氨三乙酸铵、丙酸铵、正戊酸铵、对氨基苯磺酸、苯甲酸铵催化效率都要比氯化铵低。（4）采用硫酸锰水解-氧化两步法制备了多孔性四氧化三锰，以X射线衍射、扫描电镜和氮吸附比表面仪对其进行了表征，研究了该多孔性Mn3O4在不同的溶液pH值、吸附时间、投加量和温度下对水中Cd(Ⅱ)的吸附行为，并测定了吸附过程的动力学和热力学参数。实验结果表明，该法合成的四氧化三锰属四方体心结构,一次晶粒尺寸为45.8nm，颗粒间存在大量的孔洞，BET法比表面积为40.27m2/g。在293K，pH5.5，吸附12h时达到平衡，饱和吸附量为12.8mg/g。该吸附过程符合准二级反应动力学模型，其反应的吸附活化能为2.743kJ/mol，吸附等温线较好地符合Langmuir等温方程，吸附焓变和熵变均为正值，自由能变为负值，说明该吸附过程为自发的吸热过程。（5）实验研究了四氧化三锰对Pb(Ⅱ)的吸附过程，考察了溶液pH、四氧化三锰投放量、温度、时间等因素对吸附的影响，实验结果表明：最佳吸附pH=6.6时吸附率为95.3%。降低温度有利于吸附Pb(Ⅱ)，吸附过程符合HO准二级动力学模型、粒子内部扩散模型及符合Langmuir吸附等温方程式，△G、△H和△S均为负值，说明吸附过程为自发放热的过程，吸附活化能为21.550kJ/mol，吸附机理为物理吸附。

全文目录

摘要  11-13
ABSTRACT  13-15
第1章绪论  15-25
  1.1 四氧化三锰结构、理化性质及用途  15-16
  1.2 现行生产 Mn_3O_4的方法  16-18
    1.2.1 锰的氧化物或氢氧化物法  16-17
    1.2.2 锰盐法  17
    1.2.3 锰金属经过氧化制成 Mn_3O_4  17-18
  1.3 Mn_3O_4市场分析及存在问题  18-21
  1.4 国内四氧化三锰的技术发展方向  21-22
  1.5 四氧化三锰吸附重金属行为的应用  22-24
  1.6 本论文的构思  24-25
第2章硫酸锰两步法制备低硫四氧化三锰的研究  25-35
  2.1 实验部分  26-27
    2.1.1 仪器与试剂  26
    2.1.2 实验方法  26
    2.1.3 实验原理  26-27
  2.2 实验结果与讨论  27-34
    2.2.1 加料方式对四氧化三锰产率及硫酸根含量的影响  27
    2.2.2 氨锰比对硫酸根含量的影响  27-28
    2.2.3 硫酸锰浓度对硫酸根含量的影响  28
    2.2.4 水解温度对硫酸根含量的影响  28-29
    2.2.5 滴加速度对硫酸根含量的影响  29
    2.2.6 洗涤剂种类和洗涤次数对硫酸根含量的影响  29-30
    2.2.7 水解物氧化过程中 pH 值及锰含量随时间的变化  30-31
    2.2.8 烘干时间及烘干温度的影响  31-32
    2.2.9 测试结果分析  32-34
  2.3 结论  34-35
第3章卤化铵催化金属锰粉水解反应的研究  35-42
  3.1 实验  35-36
    3.1.1 原料和试剂  35
    3.1.2 实验方法  35
    3.1.3 分析方法  35
    3.1.4 实验装置  35-36
  3.2 实验结果及讨论  36-41
    3.2.1 置换反应原理  36
    3.2.2 卤化铵浓度对转化率的影响  36-38
    3.2.3 温度对转化率的影响  38-40
    3.2.4 不同卤化铵对转化率的影响  40-41
  3.3 结论  41-42
第4章有机铵盐催化锰粉两步法制备四氧化三锰的研究  42-60
  4.1 实验部分  42-43
    4.1.1 试剂与仪器  42
    4.1.2 四氧化三锰的制备  42-43
  4.2 结果与讨论  43-59
    4.2.1 实验原理  43
    4.2.2 NH_4Cl、(NH_4)_2SO_4、HCOONH_4三种铵盐对锰粉水解的影响  43-45
    4.2.3 其它有机铵盐对锰粉水解反应的影响  45-55
      4.2.3.1 氨三乙酸铵催化锰粉水解  45-46
      4.2.3.2 丙酸铵催化锰粉水解  46
      4.2.3.3 正戊酸铵催化锰粉水解  46-47
      4.2.3.4 琥珀酸铵催化锰粉水解  47-48
      4.2.3.5 乳酸铵催化锰粉水解  48-50
      4.2.3.6 对氨基苯磺酸催化锰粉水解  50-51
      4.2.3.7 氨三乙酸催化锰粉水解  51-52
      4.2.3.8 苯甲酸铵催化锰粉水解  52-53
      4.2.3.9 酒石酸铵催化锰粉水解  53-54
      4.2.3.10 丙二酸铵催化锰粉水解  54-55
    4.2.4 测定催化剂的反应级数  55-56
    4.2.5 温度对转化率的影响  56-58
    4.2.6 产品表征  58-59
  4.3 结论  59-60
第5章多孔性 Mn3O4的制备及其对水中镉的吸附研究  60-68
  5.1 实验部分  60-62
    5.1.1 实验仪器与主要试剂  60-61
    5.1.2 四氧化三锰的制备  61
    5.1.3 材料的表征  61
    5.1.4 静态吸附实验  61
    5.1.5 吸附动力学实验  61-62
  5.2 结果与讨论  62-67
    5.2.1 多孔性 Mn_3O_4的表征结果  62
    5.2.2 pH 值对 Cd(Ⅱ)吸附率的影响  62-63
    5.2.3 吸附时间对 Cd(Ⅱ)吸附效果的影响  63-64
    5.2.4 多孔性 Mn_3O_4投放量对 Cd(Ⅱ)吸附率的影响  64
    5.2.5 吸附等温线与吸附热力学  64-66
    5.2.6 吸附动力学分析  66-67
    5.2.7 静态吸附容量  67
  5.3 结论  67-68
第6章四氧化三锰对 Pb(Ⅱ)吸附性能的研究  68-80
  6.1 实验部分  68-70
    6.1.1 实验仪器与主要试剂  68-69
    6.1.2 四氧化三锰的制备  69
    6.1.3 静态吸附实验  69
    6.1.4 吸附动力学实验  69
    6.1.5 吸附热力学实验  69-70
    6.1.6 分析方法  70
  6.2 结果与讨论  70-78
    6.2.1 pH 值对 Pb(Ⅱ)吸附率的影响  70-71
    6.2.2 四氧化三锰投放量对 Pb(Ⅱ)吸附率的影响  71
    6.2.3 吸附动力学研究  71-75
      6.2.3.1 吸附时间对 Pb(Ⅱ)吸附效果的影响  71-72
      6.2.3.2 吸附动力学模型拟合  72-73
      6.2.3.3 扩散模型  73-74
      6.2.3.4 内部粒子扩散模型  74-75
    6.2.4 吸附等温线与吸附热力学  75-78
      6.2.4.1 吸附等温线  75-76
      6.2.4.2 吸附热力学  76-77
      6.2.4.3 平均吸附能  77-78
  6.3 结论  78-80
结束语  80-82
致谢  82-83
参考文献  83-87
作者在学期间取得的学术成果  87

四氧化三锰的制备及吸附性能研究

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