改性矿渣基地聚物微球的制备及对水中氟离子吸附行为的研究

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本论文采用分散-悬浮-固化法制备了矿渣基地聚物微球,考察了水玻璃模数和水量对矿渣基地聚物微球性能的影响,得出最佳制备条件,初步研究其对氟离子的吸附效果;选取氟离子吸附效果较好的氧化铁和氧化铈对矿渣基地聚物微球进行改性,确定了最佳负载浓度,对改性后微球的性能和氟离子的吸附效果进行了对比考察。利用固体废弃物矿渣为原料制备吸附剂以及利用铁、铈为负载元素,提高了吸附剂对氟离子的吸附容量和选择性,大大降低了吸附剂的制备成本,整个制备过程绿色环保。该吸附剂为球状颗粒(微米级别),解决了工业上块状、粉状、不规则形状吸附剂存在的吸附容量小、固液分离困难、吸附柱压高等问题,进一步完善了矿渣基地聚物微球吸附剂在除氟领域的应用。通过扫描电子显微镜(SEM-EDS)、激光粒度仪(PSD)、比表面积测试仪(BET)、X射线粉末衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、综合热分析仪(TG/DSC)、X射线光电子能谱分析仪(XPS)、Zeta电位仪等分析手段对吸附剂进行了系统的表征,并对吸附剂除氟性能进行了批量实验,研究了吸附剂的制备方法、制备条件、对氟离子的吸附性能、吸附机理等,为矿渣基地聚物微球吸附剂的工业化应用奠定了理论基础。本文主要研究结果如下:(1)通过分散-悬浮-固化法制备了矿渣基地聚物微球,对比水玻璃模数和水量对制备矿渣基地聚物微球性能的影响,得出了最佳制备配比:矿渣30 g、1.7 M水玻璃12.86 g、水8 g。矿渣基地聚物微球吸附剂的粒径集中在75300μm,在该制备条件下,矿渣基地聚物微球的比表面积为63.76 m2/g。吸附实验表明矿渣基地聚物微球吸附剂对氟离子具有一定的吸附效果。(2)通过分散-沉淀法制备了氧化铁改性矿渣基地聚物微球,最佳铁离子浓度为0.2 mol/L,其比表面积为125.15 m2/g;吸附剂对氟离子的最佳吸附条件为:pH值为2,吸附剂剂量为0.15 g/100mL,吸附时间为90 min;该吸附过程符合准二级动力学模型、颗粒内扩散模型、Langmuir等温吸附模型,吸附剂最大饱和吸附量为57.50 mg/g;吸附热力学数据表明该吸附反应属于放热反应;共存离子实验表明影响氟离子吸附能力的强弱顺序依次为:PO43-?SO42-?NO3-?Cl-;真实水体实验表明水体环境对氟离子吸附影响的强弱顺序依次为:地表水?自来水?海水;通过固化实验表明氧化铁改性矿渣基地聚物微球对氟离子具有很好的固化效果。(3)通过分散-沉淀氧化法制备了氧化铈改性矿渣基地聚物微球,最佳铈离子浓度为0.02 mol/L,其比表面积为109.47 m2/g;吸附剂对氟离子的最佳吸附条件为:pH值为2,吸附剂剂量为0.10 g/100mL,吸附时间为90 min;该吸附过程符合准二级动力学模型、颗粒内扩散模型、Langmuir等温吸附模型,吸附剂最大饱和吸附量为125.79 mg/g;吸附热力学数据拟合表明该吸附反应属于放热反应;共存离子实验表明影响氟离子吸附能力的强弱顺序依次为:PO43-?SO42-?NO3-?Cl-;真实水体实验表明水体环境对氟离子吸附影响的强弱顺序依次为:地表水?自来水?海水;通过固化实验表明氧化铈改性矿渣基地聚物微球对氟离子具有很好的固化效果。(4)动态吸附动力学数据显示,两种改性矿渣基地聚物微球对氟离子的动态曲线均呈“S”型,符合动态吸附行为,吸附规律与吸附行为吻合;通过Zeta、EDS、FT-IR、XPS等分析手段对两种改性矿渣基地聚物微球吸附剂吸附氟离子行为进行吸附机理研究,结果显示两种改性矿渣基地聚物微球对氟离子的吸附机理均由离子交换和静电作用共同完成。
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