镧基磁性纳米材料的制备及其对磷酸根的吸附过程机制与影响因素研究

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水体富营养化主要是由水体中过量的磷所导致的,因此有效去除水中的磷是亟待解决的问题。本文通过多种制备方法的对比、多种镧形态磁性材料的吸附能力对比以及多种制备条件的对比,确定了除磷效果最佳的镧基磁性吸附剂。由于其p H适应范围较广、共存离子影响较小,提高了其在较复杂水环境中的应用前景,降低了处理含磷废水的难度。首先本文对两种制备方法进行了筛选,发现采用“两步法”对La3+@Fe3O4、La(OH)3@Fe3O4、La2(CO3)3@Fe3O4和La2O3@Fe3O4等四种镧基磁性材料进行制备的吸附效果和磁性强度明显较“一步法”更占优势,然后对在相同条件的“两步法”下制备的四种镧形态磁性材料的除磷效果进行比较,并对四种吸附材料进行了表征,筛选出了La3+@Fe3O4作为处理效果最佳的镧形态材料并推断出了La3+@Fe3O4除磷效果更具优势的原因。然后本文针对筛选出来的La3+@Fe3O4材料进行了制备条件的优化,考察了其在最佳制备条件下的p H和共存离子、吸附等温线以及吸附动力学等吸附性能的影响因素,并通过吸附结果和各种表征方法探讨了La3+@Fe3O4的吸附机理,包括比表面积、SEM、TEM、XRF、VSM、吸附前后的XRD、吸附前后的红外和拉曼谱图、吸附前后的Zeta电位分析以及吸附前后的XPS等。结果表明La3+@Fe3O4的最佳制备条件为n(La:Fe)=4:1、柠檬酸钠的量为6 g、搅拌时间为0.5 h。该材料适用于酸碱度较广的环境水体,在中性水体中就可实现最佳吸附效果,并且不受其他共存离子的干扰,可以在3 h内吸附饱和,且在初始浓度25 mg/L时,最大吸附磷酸根的量稳点在78 mg/g,说明了La3+@Fe3O4的吸附稳定性较好,吸附效率较高。La3+@Fe3O4的吸附过程符合Langmuir模型和拟二级动力学模型,说明该材料是表面单层化学吸附作用。La3+@Fe3O4材料的各种表征说明该材料是以配位作用为主导来吸附磷酸根离子,使磷酸根与镧离子结合形成磷酸镧完成吸附过程的,且磁性较好,具有一定的实用价值。最后本文通过筛选脱附剂、确定脱附性能、完成吸附脱附循环以及对多种实际水体进行处理等研究,考察了材料的重复利用和处理实际废水的能力。研究表明确定脱附剂为2.5 mol/L Na OH和1.875 mol/L Na Cl的混合溶液,脱附最佳时间为3h,且脱附过程更符合拟二级动力学模型(R~2=0.998)。20次脱附吸附循环的结果表明在12次再生后的La3+@Fe3O4材料的吸附量为首次吸附量的90%以上,这也进一步增强了La3+@Fe3O4在实际水体处理中的应用潜力。接着本文通过对四种不同性质的水体进行吸附实验,证实了该材料可以适应复杂的水质环境,具有一定的应用前景。
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