磁性焙烧态Zn/Al类水滑石的制备及其去除水中腐殖酸的研究

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腐殖酸(Humic acid,HA)是天然水体有机物的主要成分,其易与饮用水氯消毒剂结合产生消毒副产物,而常规水处理工艺难以将其去除。类水滑石是去除污染物的有效吸附剂,基于焙烧态类水滑石“记忆效应”对污染物的高效吸附,考虑吸附剂的回收再生,本课题制备磁性焙烧态类水滑石去除腐殖酸,并可通过磁分离回收。课题研究了磁性焙烧态类水滑石的制备工艺条件对去除腐殖酸效果的影响规律,表征了材料的结构特征,考察了磁性焙烧态类水滑石静态吸附工艺条件对腐殖酸去除效果的影响以及其再生性能,研究了磁性焙烧态类水滑石吸附腐殖酸的动力学与热力学,探讨了磁性焙烧态类水滑石去除腐殖酸的机理。  以共沉淀“一锅法”制备磁性层状双金属氢氧化物(Layered double hydroxides,简称 LDHs,也称为类水滑石),通过焙烧得到磁性焙烧态类水滑石(Calcinated layered double hydroxides,简称CLDHs)。研究了磁性CLDHs的金属组分、二价和三价金属离子的摩尔比、焙烧温度和焙烧时间等制备条件对腐殖酸去除效果以及磁性的影响。结果表明,磁性焙烧态 Zn/Al类水滑石(磁性 Zn/Al CLDHs)去除腐殖酸的效果最好;随着Zn2+/Al3+摩尔比的增大,腐殖酸去除率升高,但当Zn2+/Al3+高于3以后,腐殖酸去除率下降。焙烧温度大于300℃和焙烧时间大于2h时,腐殖酸的去除率明显提高。磁性方面,焙烧温度小于400℃,材料的磁性良好。正交试验确定影响因素主次顺序:焙烧温度 T2>陈化温度T1>二价铁与锌铝总金属盐摩尔比Fe2+/(Zn2++Al3+)> OH-/CO32-摩尔比> Zn2+/Al3+摩尔比>焙烧时间H。磁性Zn/Al CLDHs的最佳制备条件为:T2=370℃,T1=65℃,Fe2+/(Zn2++Al3+)=1:14,OH-/CO32-=2.5∶1,Zn2+/Al3+=2.5∶1,H=2h。最佳制备条件下得到的磁性 Zn/Al CLDHs,在投加量为0.2g/L时,20mg/L的腐殖酸的去除率高达98.49%。  通过 X-射线衍射、红外光谱、差示-热重、扫描电镜、BET比表面积、微电泳和振动样品磁力测定等手段对材料的形貌、结构、表面性质等进行表征。结果表明,一定量的磁性基质的引入并没有破坏 Zn/Al类水滑石的层状结构;Zn/Al类水滑石经过370℃焙烧,表现出锌铝复合氧化物特征且比表面积明显增大;磁性 Zn/Al CLDHs吸附腐殖酸时发生了结构重塑恢复了层状结构。磁性方面,焙烧态Zn/Al类水滑石的磁性来源于Fe3O4和γ-Fe2O3。  研究了投加量、腐殖酸初始浓度、接触时间、温度、pH、共存离子和超声分散等静态吸附工艺条件对腐殖酸去除效果的影响。结果表明,磁性Zn/Al CLDHs对腐殖酸的去除率随着投加量的增加而增大,当投加量为0.2g/L达到最大。吸附量随着腐殖酸初始浓度增大而增加,而去除率减小。磁性Zn/Al CLDHs对腐殖酸的去除率随着温度升高而小幅度增加。随着pH的增大,腐殖酸的去除率逐渐增大。在pH为6.5时达到峰值99.38%,之后继续增大pH,去除率降低。干扰离子对腐殖酸去除率的影响大小顺序是:H2PO4->CO32->SO42->F->NO3-。吸附腐殖酸后的类水滑石通过煅烧恢复焙烧态,同时被吸附的腐殖酸氧化去除,吸附材料获得再生。  磁性 Zn/Al CLDHs吸附腐殖酸的动力学研究表明,准二级动力学模型和Bangham模型拟合效果较好。磁性 Zn/Al CLDHs吸附腐殖酸的热力学研究表明, Langmuir和Dubinin-Radushkevich有较好的拟合效果。热力学参数ΔG0<0、ΔH0>0和ΔS0>0,说明磁性Zn/Al CLDHs吸附腐殖酸是自发进行的吸热的熵增过程。磁性Zn/Al CLDHs吸附腐殖酸过程同时存在物理吸附和化学吸附。吸附机理主要是利用磁性Zn/Al CLDHs“记忆效应”的过程来去除腐殖酸,同时磁性Zn/Al CLDHs较大的比表面积和静电作用也对腐殖酸的吸附起了很大的作用。
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