功能化改性石墨氮化碳材料对水中二价汞离子的去除研究

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近年来,随着现代社会工业化的迅速发展,工业中产生的各种废水被排放到水体当中。重金属废水作为污染最为严重的工业废水之一,对周围环境和人体都有严重的危害。而汞作为最具毒性的重金属污染物之一,由于其高毒性、易在生物体内蓄积以及在环境中长期存在而受到世界各地越来越广泛的关注,因此,快速有效去除水体中汞离子至关重要。而吸附法因其具有效率高、成本低廉和操作方便等优点从众多的水处理方法中脱颖而出。石墨氮化碳(g-C3N4)由于其含有一定数量的官能团(-NH2,=N-等),可为重金属提供丰富的相互作用位点。故论文选用石墨氮化碳材料为基体材料,通过不同的官能团和聚合物对其进行功能化改性,制备出不同功能化改性的石墨氮化碳材料复合吸附剂,用于去除水溶液中的二价汞离子。通过SEM、TEM、FT-IR、XRD、BET、TGA、XPS和ZETA电位等一系列表征手段研究了材料制备前后的形态结构变化,还通过pH、吸附剂投加量、温度、溶液初始浓度等影响因素来确定吸附剂在最佳的吸附条件下的最佳吸附容量,最后通过吸附动力学、吸附等温线、热力学以及再生实验来探究分析本论文所制备的吸附剂材料的材料优势、吸附汞离子的吸附机理及再生性能等,具体研究成果如下:(1)g-C3N4/SiO2-SH对水溶液中的Hg2+的吸附研究考虑到原始的石墨氮化碳(g-C3N4)比表面积较小以及吸附性能较差,考虑使用官能团对g-C3N4进行功能化改性,但实际对在g-C3N4表面直接接枝官能团改性是相当困难的,所以首先在g-C3N4表面负载SiO2,再利用SiO2作为一个桥梁从而能够引入巯基基团,成功的制备了巯基功能化负载SiO2的石墨氮化碳(g-C3N4/SiO2-SH)。通过一系列的表征手段证明了吸附剂g-C3N4/SiO2-SH的成功制备。借助吸附实验和响应面中心组合实验研究了各个影响因素对g-C3N4/SiO2-SH的吸附性能的影响,结果表明,吸附性能的影响因素按从大到小分别为pH、温度、溶液初始浓度和吸附剂投加量,得到g-C3N4/SiO2-SH最佳吸附条件为pH值为7.8、温度为35.24℃、汞溶液的初始浓度为39.1 mg/g、吸附剂投加量为0.096 g/L时,最佳吸附容量为178.6 mg/g。经吸附实验数据拟合分析,g-C3N4/SiO2-SH对Hg2+的吸附过程符合伪二级动力学模型和Langumir模型,吸附过程是单分子层的化学吸附,与Temkin模型和D-R模型的拟合结果相一致,热力学拟合研究表明了吸附过程为自发吸热的。结合吸附Hg2+前后的表征进行探究分析,表明了g-C3N4/SiO2-SH对Hg2+的吸附机理主要是通过静电吸附和官能团螯合作用来去除水溶液当中的Hg2+。(2)PANI/S-g-C3N4对水溶液中的Hg2+的吸附研究通过硫掺杂来制备出介孔的S-g-C3N4材料,再利用硫酸铵盐来催化苯胺单体在S-g-C3N4材料表面聚合,成功制备出硫掺杂和聚苯胺双功能化改性的石墨氮化碳(PANI/S-g-C3N4)。通过吸附实验和响应面实验结果表明,当pH为7.3,T为37.12℃,投加量为0.096 g/L,C0为32.47 mg/L时,最佳吸附量为265.18mg/g。经吸附实验数据拟合分析,PANI/S-g-C3N4对Hg2+的吸附过程符合伪二级动力学模型和Langumir模型,吸附过程为化学吸附,与Temkin模型和D-R模型的拟合结果相一致,热力学拟合研究表明了吸附过程为自发吸热的。再生性能优良,PANI/S-g-C3N4对Hg2+的吸附机理主要通过静电吸附和官能团螯合作用来去除水溶液当中的Hg2+。论文制备了两种功能化改性石墨氮化碳基复合材料,改善了原始石墨氮化碳(g-C3N4)诸多缺陷,显著提高了原始石墨氮化碳的吸附容量,另外通过聚合物负载到S-g-C3N4上也改善了聚合物容易团聚的缺陷,提高了其在水溶液中的分散性。所制备的两种吸附剂的吸附性能明显优于其他同类型的吸附剂,且具有良好的再生性能,制备成本低廉。合成方法简单且绿色安全,这都表明了两种功能化改性石墨氮化碳基复合材料在实际应用当中是去除Hg2+的优异的重金属吸附剂。
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