氨化磁性吸附剂的制备及对水中Cr(Ⅵ)吸附性能的研究

来源 :西安建筑科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:guigui198302
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六价铬(Cr(Ⅵ))因其对生态环境和生物体的高毒性,长期以来受到学者们的广泛关注。Cr(Ⅵ)很容易通过食物链进入人体,从而引起免疫系统减弱、内脏损伤、癌症、遗传变异甚至死亡。为减少人类与铬(Cr)的接触,必须在排放之前将浓度降低到规定的阈值。在去除水体中Cr(Ⅵ)的几种技术中,吸附法由于其材料成本低、实用性好、操作简便、效率高等优点,被认为是经济有效的方法之一,是目前广泛应用的技术。然而吸附法也存在吸附容量低、分离回收困难、重复使用率低等实际问题。为解决此类问题,本研究制备了两种氨化磁性吸附剂,不仅具有快速磁选分离的优点,而且保留了对Cr(Ⅵ)的高吸附效率及良好的重复使用能力,是一种很具吸引力的绿色吸附剂。本文主要研究成果如下:(1)采用改良的Hummers法制备氧化石墨烯(GO),通过共沉淀的方法将Fe3O4附着在GO的表面制得磁性氧化石墨烯(MGO),后通过聚乙烯亚胺(PEI)对其进行表面改性,得到氨化的磁性氧化石墨烯(PMGO)。通过SEM、TEM、XRD、VSM、XPS、FTIR、BET等方法对其形貌结构、晶体结构及化学组成进行分析,并探讨PEI的最佳添加量。结果表明,附着在GO上的Fe3O4粒径为20-30nm,PMGO饱和磁化强度为12.40 emu/g,从水中磁选分离需75 s;PEI添加量为2 g时最大吸附容量为148.98 mg/g;XPS和FTIR结果表明PEI的部分氨基与GO表明的羧基和环氧基团反应从而赋予材料大量氨基。(2)为提高磁性吸附剂的吸附容量及磁选反应速度,通过水热法制备Fe3O4,利用stober法合成Fe3O4@SiO2,再通过硅烷偶联反应接枝PEI得到Fe3O4@SiO2-NH2。通过SEM、TEM、XRD、VSM、XPS、FTIR等方法对其形貌结构、晶体结构及化学组成进行分析。结果表明,Fe3O4@SiO2-NH2的颗粒粒径为200-400 nm,其表面包裹的SiO2层大约20 nm,并且在接枝氨基后变薄(17 nm);Fe3O4@SiO2-NH2的结晶度可达98.19%;此外Fe3O4@SiO2-NH2的饱和磁化强度为41.6 emu/g,实验结果表明其从水中磁选分离仅需50 s,较PMGO有明显的提升;且最大吸附容量提高为251.83 mg/g。XPS和FTIR结果表明PEI的部分氨基通过硅烷偶联反应从而赋予材料大量的氨基。(3)详细考察了Cr(Ⅵ)的初始浓度、吸附时间、溶液p H值和无机阴离子等因素对吸附剂PMGO和Fe3O4@SiO2-NH2吸附Cr(Ⅵ)效率的影响。两种吸附剂的吸附动力学及吸附等温线分别符合拟二阶动力学模型和Langmuir模型,证明吸附限速步骤为吸附质之间的分子间作用力,并且吸附具有均匀的结合位点、吸附物种间无相互作用、单层覆盖的特点。吸附热力学结果表明PMGO和Fe3O4@SiO2-NH2吸附Cr(Ⅵ)反应是一个自发的吸热过程。吸附过程受p H值影响明显(p H=3时吸附效果最佳);溶液中的SO42-与Cr(Ⅵ)存在明显的竞争关系导致对吸附效果有抑制作用,其他阴离子(NO3-、Cl-)对吸附效果影响较小。(4)PMGO和Fe3O4@SiO2-NH2在去除Cr(Ⅵ)方面表现出优异的性能,通过XPS结果推断PMGO和Fe3O4@SiO2-NH2对Cr(Ⅵ)的吸附机理可能为:氨基在低p H值下电离,通过静电作用吸附Cr(Ⅵ)。此外,氨基提供的电子将Cr(Ⅵ)还原成Cr(III),最后Cr(III)通过螯合作用吸附在氨基上。PMGO和Fe3O4@SiO2-NH2经过5次吸附-脱附循环使用后,吸附容量分别下降了14.4%和21.8%,结果表明PMGO和Fe3O4@SiO2-NH2均具有良好的重复使用性和稳定性。
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