功能化碳基复合材料的(气相)水热法制备及其Cr(Ⅵ)吸附性能

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近年来,工业快速发展伴随的水体污染愈发严重,尤其是重金属无法被微生物分解,其在环境中的长期积累,对我们的生存环境及生命健康造成了极大的危害,其中Cr(Ⅵ)被视为最具毒性的污染物之一。水热碳因为绿色环保、简单高效的制备过程及物理化学性质稳定等特点在重金属废水治理方面有良好的应用前景。但是因为负电荷的表面性质,限制了其在Cr(Ⅵ)等阴离子污染物去除方面的应用。本文通过简单的一步(气相)水热法分别对水热碳进行功能化改性和复合改性,极大地改善了水热碳对Cr(Ⅵ)的吸附性能。主要研究内容如下:(1)采用改进的一步蒸汽-水热碳化法制备了氨基、羧基、巯基修饰的水热碳材料(分别标记为HT-N、HT-AA、HT-SCY),并借助SEM、FT-IR、XPS、Raman、元素分析、N2吸附-脱附和XRD等技术手段对比研究了上述样品在微观形态、织构性质和表面官能团种类、数量等方面的变化。室温下的吸附实验结果显示,样品Cr(Ⅵ)的吸附量与材料的表面官能团有关,最大吸附量分别为HT-N(171.23 mg/g)>HT-AA(94.25mg/g)>HT-SCY(15.41 mg/g),其中,HT-N对Cr(Ⅵ)的吸附性能随着乙二胺浓度的增加而增加;它们对Cr(Ⅵ)的吸附符合Langmuir模型和拟二级动力学模型。此外,共存阴离子并不影响HT-N对Cr(Ⅵ)的吸附效果,对HT-AA吸附效果的干扰程度顺序为:SO42->C2O42->CO32->HPO42->Cl-。其中,官能团(-COOH,-NH2)在Cr(Ⅵ)吸附中发挥了重要作用,主要吸附机理除了官能团与Cr(Ⅵ)之间的静电相互作用、络合作用,还有给电子基团还原Cr(Ⅵ)并吸附的过程。(2)通过一步水热法合成薄水铝石(AlOOH)包覆碳球(CS)的复合吸附剂(CS@AlOOH)。SEM测试表明AlOOH片状自组装成类杨桃状的结构,在CS上向外密集排列,为Cr(Ⅵ)的吸附提供了大量表面活性位点。CS@AlOOH对Cr(Ⅵ)的吸附量较单一的CS高近10倍,在pH=2、Cr(Ⅵ)初始浓度为20 mg/g、吸附剂浓度为0.4 g/L的吸附条件下,它的吸附量为49.23 mg/g,吸附去除率为98.46%,其吸附Cr(Ⅵ)的动力学数据更符合拟二级动力学模型,表明为化学吸附。(3)以合成的CS@AlOOH为基体,进一步通过水热法原位生长镍铝水滑石,并进一步在N2气氛下焙烧制备得到复合材料(LDO@CS)。SEM测试表明,片状水滑石相互交叉排列在CS上形成花瓣状结构,提供了丰富的表面吸附位点和孔道,有利于Cr(Ⅵ)的快速吸附。LDO@CS保留了疏松多孔的花瓣状结构,具有优于单一材料的吸附性能,在pH=2、Cr(Ⅵ)初始浓度为20 mg/g、吸附剂浓度为0.4 g/L吸附条件下,它的吸附量达到50 mg/g,吸附去除率接近为100%,其吸附动力学数据符合拟二级动力学模型,表明为化学吸附。该方法还可以拓展到不同类型复合材料MAl-LDH@CS(M=Ni,Mg,Co等)的制备。
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