多官能团改性Fe3O4@SiO2净化Cd/Pb污染土壤实验

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土壤重金属污染日益严重,磁性纳米材料不仅可以克服传统重金属离子吸附剂固液分离难、易产生二次污染的缺点,同时可以针对不同重金属离子,负载不同的表面活性剂或修饰不同的官能团,选择性的吸附不同的重金属污染物。本文制备以Fe3O4为磁核、SiO2为外壳的磁性纳米微球,利用腐殖酸、氨基酸、壳聚糖和丙烯酸、EDTA四种官能团接枝材料对其进行进一步表面功能化,筛选得到对重金属镉、铅具有选择性吸附效果的复合磁性纳米材料,对其制备条件进行优化并表征,最后应用于土壤体系中重金属的异位去除,具体的研究成果如下:(1)以包埋法制备得到Fe3O4@SiO2-HA、Fe3O4@SiO2-L-Cys、Fe3O4@SiO2-CS-PAA、Fe3O4@SiO2-EDTA四种复合磁性纳米材料作为吸附剂,对水中重金属Cd(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)的吸附容量和去除率均在p H=6、T=313K时最佳,且吸附容量均随着溶液中重金属浓度的升高而增大,去除率均随着溶液中重金属浓度的增加而减少,复合Cd(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)体系中的吸附容量和去除率都较单一Cd(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)体系有一定程度的降低,对Pb(Ⅱ)的选择性吸附作用明显较Cd(Ⅱ)强。其中Fe3O4@SiO2-HA为去除重金属Cd(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)的最佳吸附剂,吸附量最大分别可以达到56.4 mg/g和279.86 mg/g,去除率最大分别可以达到84%和88%。(2)影响Fe3O4@SiO2-HA复合磁性纳米材料制备条件因素的主次顺序及最优条件为:反应时间(7h)>温度(55℃)>超声时间(60min)>腐殖酸与Fe3O4的用量比(0.2:1)。Fe3O4@SiO2-HA的BET比表面积、平均孔容、孔径分别为67.005 m~2·g-1、0.159 cm~3·g-1、3.824 nm;平均粒径为92.48 nm;饱和磁化强度为33.93 emu/g。另外,Fe3O4@SiO2磁性纳米微球、Fe3O4磁核的平均粒径较Fe3O4@SiO2-HA逐渐减小,XRD图谱上20-25°极弱带状峰的出现,FT-IR图谱上富含的官能团都能证明HA涂层在Fe3O4@SiO2磁性纳米微球上的成功包覆。(3)Fe3O4@SiO2-HA复合磁性纳米材料在土壤体系中作为吸附剂吸附重金属Cd(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)的最佳添加量为10:0.02(土:Fe3O4@SiO2-HA/g:g),最佳p H=6,吸附量最大分别可以达到35.49 mg/g和197.23 mg/g,去除率最大分别可以达到71%和79%,重金属Cd(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)的吸附容量均随着重金属浓度的增加而增加,去除率均随着浓度的增加而减少。准二级动力学方程和Langmuir模型能更好的拟合Fe3O4@SiO2-HA磁性纳米吸附剂对重金属Cd(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)的吸附动力学和等温吸附过程,重金属在吸附剂上的吸附行为为可自发的吸热反应且吸附是由吸附剂与重金属之间的无序性造成的。在吸附-解析四次之后,重金属Cd(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)的去除率仍然可以达到46%、69%。
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