埃洛石、凹凸棒粘土矿物的改性及其吸附性能的研究

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甲醛为较高毒性的物质,在我国有毒化学品优先控制名单上位列第二,是公认的变态反应源,也是潜在的强致突变物之一。甲醛因来源广、毒性大、污染时间长等特点对人类健康构成了严重威胁,已成为室内主要污染物之一。甲醛对人体健康的影响主要表现在嗅觉异常、刺激、过敏、肺功能、肝功能以及免疫功能异常等方面。去除甲醛的主要方法有通风法、植物净化法、吸附法、光催化净化法、氧化还原法、膜吸收法等。高效经济的吸附法已经成为解决室内甲醛污染问题的主要方法。  随着工业水平的进步,染料被广泛地应用于印染、造纸、油漆、纺织、皮革、塑料、食品等行业。染料废水不仅会造成自然环境的破坏,而且会危害人类的健康。染料废水的处理主要有混凝沉淀、氧化法、光催化降解、膜技术、生物降解、吸附法等,其中吸附法因具有操作简单、效率高、成本低、不易造成二次污染等优点而得到广泛应用。  吸附法应用的关键在于吸附剂的成本和效率,粘土矿物由于其储量丰富、廉价易得、比表面积大、具有一定的离子交换能力且不必再生等优点,而成为近年来最具潜力的吸附剂,例如高岭石、海泡石、硅藻土、珍珠岩、膨润土、蒙脱石、沸石等。  本文以埃洛石纳米管为原料,利用负载改性方法制备了改性埃洛石;以凹凸棒石粘土为原料,通过酸活化方法制备了改性凹凸棒石粘土,并采用XRD、SEM、TEM、N2吸附-脱附等方法对改性产品的相成分、微观形貌、结构、比表面积和孔径分布等性能进行表征。本文系统考察了改性埃洛石吸附甲醛的效率及结果,研究了改性凹凸棒石粘土吸附亚甲基蓝的相应性能。具体研究内容如下:  (1)系统研究了改性埃洛石对甲醛的吸附性能  利用硫酸锰和高锰酸钾对埃洛石进行改性,制备改性埃洛石。SEM和TEM表征结果显示,本文成功制备出了负载 MnO2的改性埃洛石,且在埃洛石纳米管管内和管壁上均有MnO2负载。考察pH值、吸附剂用量、甲醛初始浓度、温度、反应时间和离子强度对改性埃洛石吸附甲醛的影响,并研究了其吸附动力学和等温吸附特性。研究发现,pH值对改性埃洛石吸附甲醛的影响很大,pH=2时吸附量最大,约为15mg/g,这说明在酸性条件下有利于改性埃洛石对甲醛的吸附。在一定范围内,改性埃洛石对甲醛的吸附量随吸附剂量的减小、甲醛初始浓度和温度的增加而增大,但改性埃洛石对甲醛的吸附基本不受离子强度变化的影响。改性埃洛石对甲醛的吸附与Langmuir等温模型和准二级动力学模型相吻合。吸附速率较快,120min即可达到吸附平衡,吸附选择性好,且离子强度对吸附基本没有影响,因此改性埃洛石可用作甲醛的吸附剂。  (2)系统研究了改性凹凸棒石粘土对亚甲基蓝的吸附性能  利用酸活化的方法制备改性凹凸棒石粘土。采用不同浓度的盐酸对天然凹凸棒石粘土进行改性,对比改性产品对亚甲基蓝的吸附效果,发现改性后凹凸棒石粘土对亚甲基蓝的吸附量显著提高,盐酸最佳浓度为1mol/L。XRD、SEM、N2吸附-脱附结果表明,酸处理去除了凹凸棒石粘土中的碳酸盐,改性后其结构变疏松,用1mol/L盐酸处理后得到的改性凹凸棒石粘土比表面积提高至接近原来的2倍,改性后其孔体积也增加,这些变化会促使其吸附性能提高。改性凹凸棒石粘土吸附亚甲基蓝过程中,发现吸附剂量越小、亚甲基蓝初始浓度越大,则吸附量逐渐加大。温度升高,吸附量随之增大,说明此过程为吸附过程。动力学研究表明,改性凹凸棒石粘土对亚甲基蓝的吸附符合准二级动力学模型,相关系数R2为0.9997。热力学研究表明,改性凹凸棒石粘土吸附亚甲基蓝的过程符合 Langmuir吸附等温线模型,在298K和318K时的最大吸附量分别为217.4mg/g、271.7mg/g,因此,改性凹凸棒石粘土可以作为经济高效的染料吸附剂。
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