改性粘土复合材料对镉/铅-双酚A复合污染的吸附及降解行为研究

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随着环境污染的日益严重,越来越多的无机以及有机污染物进入环境,使得环境污染类型逐渐从单一污染向复合污染转化。双酚A(BPA)是世界上使用量最大的工业原料之一,已在环境介质中不断被检出,并可与环境中普遍存在的重金属(如Cd2+、Pb2+)发生协同效应,使得它们在环境中的迁移转化途径及生态效应变得更为复杂,严重威胁生态环境健康。因此,对复合污染的修复治理刻不容缓。粘土矿物由于具有巨大的比表面积、稳定的物理化学性质、廉价、无二次污染等特点而被广泛运用于环境修复。对它们进行适当的改性,使其具备同时去除重金属和有机物的能力,实现一种材料、一步修复重金属-有机物复合污染的目标。因此,本研究一方面利用带有亲水基团和疏水基团的两性表面活性剂对蒙脱石进行改性,得到有机蒙脱石(OMts),使其具备同时吸附Cd2+/Pb2+和双酚A的能力;另一方面通过将二氧化锰材料负载于粘土矿物上,使粘土矿物具备氧化降解双酚A并同时吸附Pb2+的能力,实现对环境中有机-重金属复合污染物的同步去除。主要的研究结果如下:(1)以蒙脱石(Mt)为原料,两种不同碳链长度的两性表面活性剂十四烷基二甲基甜菜碱(BS-14)和十八烷基二甲基甜菜碱(BS-18)为改性剂,制备出不同改性剂量的有机复合粘土材料。X-射线衍射分析(XRD)和傅里叶变换红外谱(FTIR)结果表明改性剂分子进入蒙脱石层间,但蒙脱石结构改性后未受到破坏,电子扫描电镜(SEM)显示材料表面的形貌因负载了表面活性剂而有所变化。除此之外,改性后的有机粘土矿物比表面积有所下降,疏水性、热稳定性能均得到了一定的提高。(2)改性后的两种有机复合粘土材料运用于单一吸附(Cd2+、Pb2+)/BPA、连续吸附(Cd2+、Pb2+)/BPA及同时吸附(Cd2+、Pb2+)/BPA三种体系。材料在单一体系中材料吸附Cd2+、Pb2+能力与复合污染体系相差不大,但最大吸附量较未改性Mt略有下降;有机复合后的材料能显著提高对BPA的吸附,并且在复合污染体系下,Cd2+、Pb2+与BPA发生桥接作用从而促进吸附过程;有机改性后的材料能很好的运用于Cd2+/Pb2+和BPA的连续吸附体系中。实验结果表明:改性材料对重金属Cd2+和Pb2+的吸附机理主要为表面吸附、静电吸附、离子交换作用和螯合作用,吸附性能的差异在于这几种吸附机理在其吸附过程中的贡献大小;而对BPA的吸附作用机理主要为两性表面活性剂上碳链的疏水作用。(3)以层状双金属氢氧化物(Layered double hydroxide,LDH)为模板,负载不同量的MnO2于LDH材料上,运用XRD、FTIR、SEM/TEM、TG、N2吸附-脱附曲线等现代谱学技术分析不同配比下MnO2-LDH复合材料形貌结构的差异性,得到最佳负载量配比为0.01MnO2-LDH复合材料。LDH的加入对高氧化性MnO2的产生起到模板和强化作用,复合后的材料能显著提高BPA氧化性及矿化度并具备同时吸附Pb2+能力;复合材料对Pb2+吸附和BPA氧化是相互促进作用,并降低了重金属吸附及BPA氧化过程中对溶液pH值及环境温度的依赖性;实验结果揭示了复合材料对BPA降解作用主要为MnO2在酸性条件下的氧化作用,而对Pb2+的吸附主要归因于静电作用、离子交换作用以及表面络合作用。以上研究,以吸附-吸附以及吸附-氧化的方法为出发点,合成的两种有机粘土复合材料以及MnO2-LDH复合材料,均具有同时去除重金属-双酚A的性能,可为复合污染的环境修复提供理论支撑和有益的参考。
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