论文部分内容阅读
有机染料在纺织、造纸、制革和颜料工业中有着广泛地应用,水体中残留的有机染料是一种典型的污染物质,难以被生物降解且具有较高的毒性,含有此类物质的废水浓度高、色度深和化学需氧量高。目前,大量排放的有机染料废水已严重破坏生态环境、威胁人类健康,亟需处理。吸附法操作简单、经济高效,该方法能够大规模处理有机染料废水的关键是:采用成本低廉、吸附/脱性能优异、易于固液分离的吸附剂。传统块体吸附剂(活性炭)再生困难,粉末吸附剂(天然黏土)固液分离困难,上述缺点限制了传统吸附剂的大规模实际应用。蒙脱土具有廉价易得、绿色环保和吸附性能较好的优点,经磁性纳米材料改性的蒙脱土能够克服粉末吸附剂难以固液分离的缺点,有望作为大规模处理有机染料废水的材料;石墨烯量子点具有超高的比表面积和丰富的含氧官能团,吸附性能优异,但良好的水分散性极大限制了其在吸附方面的应用。鉴于此,本研究旨在结合蒙脱土、磁性四氧化三铁(Fe304)和石墨烯量子点三者的优点制备吸附性能优异、再生性能好且易于分离的磁性粉末吸附剂。系统研究了磁性粉末吸附剂的制备条件、形貌结构、理化特性及其对亚甲基蓝(MB)的吸附性能,主要内容如下:(1)首先制备了石墨烯量子点(GQDs)、蒙脱土(Fe304/MMT)以及石墨烯量子点/磁性蒙脱土(GQDs/Fe304/MMT)。同时,优化得到GQDs/Fe304/MMT粉末吸附剂的最佳制备条件为:Fe304在Fe304/MMT中占50%(质量分数),GQDs溶液在GQDs/Fe304/MMT悬浮液中占30%(体积分数),体系温度为80℃,加热时间为120 min。通过 FT-IR、XRD、SEM、TEM、XPS、TGA、BET 和 VSM 等方法对最优样GQDs/Fe304/MMT的晶体结构、微观形貌和理化特性进行了表征分析,结果表明:成功制备GQDs/Fe3O4/MMT粉末吸附剂,而Fe304负载于MMT的表面并未插入其片层内部,GQDs/Fe3O4/MMT上的GQDs通过取代羟基以化学结合的方式负载于材料表面,GQDs/Fe304/MMT是一种具有超顺磁性,表面丰富含氧官能团且热稳定性优异的纳米吸附剂。(2)通过吸附实验研究表明:当温度为20℃,pH为7,吸附时间为20min,吸附加量为0.4 g/L,染料初始浓度为100 mg/L时,GQDs/Fe304/MMT对MB的最大吸附量为224.9 mg/g。MB去除率随pH值变化较大且在碱性范围出现了最大去除率;MB的去除率随着离子强度的增加而减小;超声波作用能够显著缩短吸附平衡时间但不改变吸附量,其还能够促使GQDs/Fe304/MMT从混合染料中快速选择性吸附MB。通过脱附实验研究表明:混合脱附剂盐酸:乙醇比为1:3时,染料解吸效率达到最大值72.8%。MB吸/脱附效率在六次重复实验后略有下降。同时,论文研究发现GQDs/Fe304/MMT吸附MB符合准二级动力学模型和Langmuir等温线模型且吸附过程是自发的吸热反应,吸附活化能分析表明存在化学吸附。通过分析吸附MB前后XRD谱图发现MB吸附于GQDs/Fe304/MMT表面。通过研究吸附MB前后的FT-IR谱图变化和GQDs/Fe304/MMT在不同pH值下对阴/阳离子染料去除率的差异得出:GQDs/Fe3O4/MMT与MB之间存在静电作用、π-π堆积和氢键,其中以静电作用为主。