砷、磷在La-MCM-41介孔材料表面的吸附特性及竞争吸附规律

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为探究砷(As(Ⅴ))、磷(P)在介孔材料表面的吸附特性及竞争规律,通过水热合成法制备了吸附容量大,选择性好的介孔As(Ⅴ)、P吸附剂(La-MCM-41)。采用X射线衍射(XRD)、比表面积及孔结构分析(BET)、扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱(FTIR)等分析手段对吸附剂的表面特征进行了研究;通过静态吸附实验,考察了吸附剂投加量、pH、外加干扰离子等因素对As(Ⅴ)、P吸附效果的影响,采用吸附动力学、吸附平衡和再生实验研究了As(Ⅴ)、P吸附特性和竞争吸附规律,取得的主要结论如下:(1)采用水热合成法成功制备了MCM-41和Lax-M41系列介孔吸附材料,通过多种表征研究发现,改性后的Lax-M41仍具有稳定的二维六方介孔结构,形貌特征没有发生改变。静态吸附实验表明,未经改性的MCM-41对砷和磷几乎没有吸附作用,而经过La掺杂改性的Lax-M41系列材料对As(Ⅴ)和P具有良好的吸附效果,La元素的添加,提升了介孔材料对As(Ⅴ)、P的吸附能力,其中La0.03-M41(M3)吸附效果最好,对As(Ⅴ)和P的吸附容量分别为60.5 mg·g-1和63.9 mg·g-1;(2)单独吸附体系。La0.03-M41对As(Ⅴ)/P的吸附最佳pH范围为4.07.0,水中常见阴离子对M3吸附去除As(Ⅴ)/P的影响随着离子强度的增大而增大,对As(Ⅴ)影响大小顺序为SO42-32-32-43-,对P影响大小顺序为NO3---42-。M3对As(Ⅴ)/P的吸附平衡符合Langmuir吸附模型,动力学模拟符合准二级动力学反应模型;(3)竞争吸附体系。采用准一级和准二级吸附动力学方程对实验数据进行模拟分析发现,La0.03-M41对As(Ⅴ)和P的吸附过程符合准二级动力学模型,根据阿累尼乌斯方程(Arrhenius)求得As(Ⅴ)和P的反应活化能,As(Ⅴ)的吸附活化能稍高于P。由于受到竞争吸附的影响,As(Ⅴ)和P吸附量都有较大的变化,对比发现,M3对As(Ⅴ)和P的吸附量分别为33.8 mg·g-1和46.8 mg·g-1,P处于优势地位;(4)对吸附后的吸附剂进行表征分析发现,吸附剂轮廓变得粗糙,表面积和孔容积都有所减小,孔径增大,同时EDS图谱中相应出现了As元素和P元素,根据表征结果和吸附数据推测,M3对As(Ⅴ)、P的吸附主要通过络合作用和静电引力作用;(5)M3吸附剂经过五次吸附—解吸循环之后对As(Ⅴ)和P的吸附容量分别降低了15.25%和14.8%,但仍保持一个较高的水平,表明M3是一种高效且稳定的As(Ⅴ)、P吸附剂。
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