基于WS2微晶及其复合材料的贵金属离子选择性分离富集研究

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随着世界范围工业化的发展,贵金属以其独特的性质成为工业生产不可缺少的原料,与当代高科技的发展密切相关。电子垃圾和工矿废渣中贵金属流失已成为可持续性发展和环境保护的一大阻碍。对贵金属资源可持续性发展的日益关注,要求开发用于高效富集的先进材料和技术。在众多的贵金属分离富集策略中,吸附技术展现了极大的优势。边缘位点高度暴露和结构受控的纳米材料已被广泛报道可提高富集效率和选择性。二维片层材料具有较大的表面积和层间间隙,容易实现离子和小分子的传输,因此是用于贵金属离子富集的优秀候选材料,尤其是结构新颖的二维过渡金属硫化物在贵金属富集领域的潜能巨大。在富集过程中,考虑到将纳米材料分离问题和高富集容量的结合,基于氧化石墨烯材料的气凝胶(GA)三维(3D)网络结构,设计了具有多孔互连结构的功能型二硫化钨(WS2)纳米材料掺杂气凝胶,用于去除富集水体中的贵金属。本文实验研究部分以下两个方面:一探究采用一步水热策略制备了类花状硫化钨微晶(F-WS2 MCs),通过SEM、TEM等对WS2结构进行了全面表征。完成了花状WS2吸附剂对重金属及贵金属在内的13种混合金属离子的捕获能力考察,并对吸附能力较强的前三种金属离子的吸附特性进行了系统研究。通过对吸附剂用量、吸附时间、吸附介质p H、离子强度等因素的考察得出了WS2微晶吸附贵金属的最佳条件;通过吸附等温线、吸附动力学、热力学的研究获得了吸附过程的关系。结果表明,F-WS2 MCs能快速吸附Au(III)、Ag(I)和Pd(II),且在120 min内对Au(III)、Ag(I)和Pd(II)的吸附去除率分别为94.1%、86.8%和27.6%,拟二级动力学模型可以很好地描述吸附过程中的速率变化。同时,Au(III)、Ag(I)和Pd(II)的最大吸附量分别为1340.6 mg g-1、186.22mg g-1和67.29 mg g-1。利用相关手段研究了WS2微晶与吸附质离子的作用机理,证明了F-WS2 MCs材料在多种金属离子共存条件下保持了良好的选择性,检验了WS2微晶在金属离子捕获或去除方面应用的可行性,并为WS2微晶应用于金属富集和环境修复提供必要的数据支持和理论依据。二通过反应条件的控制优化制备了片状硫化钨(P-WS2)。在微晶形成条件的控制下,对不同条件控制的材料生长过程进行了分析研究。同时结合氧化石墨烯气凝胶的优点,为片状WS2构建了3D网络骨架,实现了片状P-WS2主导氧化石墨烯辅助的协同作用的功能化富集材料制备。研究了片状WS2、纯氧化石墨烯的气凝胶(GA)、复合气凝胶材料(P-WS2/GA)的Au(III)离子吸附性能,对吸附机理进行了探讨,同时对复合气凝胶的染料吸附处理进行了研究。结果表明WS2的添加对石墨烯气凝胶富集能力的增强有很大贡献;P-WS2、GA和P-WS2/GA的吸附过程与化学吸附相关,三种材料的吸附过程可利用二级动力学模型描述,据吸附模型评估P-WS2/GA最大理论吸附量达到了1265.8 mg g?1远高于单独氧化石墨烯气凝胶。搭建简易富集装置可以对贵金属金离子达到较好的富集效果,同时气凝胶表现出快速分离吸附材料的潜力。鉴于微纳米花状WS2结构较宏观块体材料在提高的吸附位点的利用率上展现了很大优势,获得的3D多孔的片状WS2掺杂复合气凝胶保证了吸附位点有效性的同时易于分离,WS2材料将在未来的富集领域发挥更大作用。
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