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随着经济飞快发展,水污染越来越严重,其中工业废水尤为显著,含有大量的重金属离子,其中铬离子污染尤为突出。吸附法具备操作简单、成本低廉和处理效果好等优点,被广泛用在处理含铬废水中。因此,研究设计一种廉价和吸附性能好的吸附材料,已经成为一个非常迫切的新课题。凹凸棒石作为一种粘土矿物吸附剂,来源丰富、价格低廉、吸附效果好等优点而被广泛运用。由于凹凸棒石具有特殊的结构,带有结构负电荷,对处理带有负电荷的铬酸根离子效果较差,所以对其进行改性。水热碳化法是一种新型的改性凹凸棒石方法。本论文主要从事以下研究:一是复合材料的制备。以凹凸棒石和葡萄糖为原料,通过一步水热碳化法制备凹凸棒石@碳纳米复合材料(AT@C)。同时,为了提高AT@C吸附性能,通过添加含羧基量丰富的柠檬酸,经过一步水热碳化制备富羧基功能化凹凸棒石@碳纳米复合材料(CA-AT@C)。二是表征分析。分别利用FT-IR、XRD、Zeta和XPS对两种复合材料进行表征分析。三是静态吸附实验。研究了初始浓度、温度、时间和p H对吸附Cr(Ⅵ)的影响,探讨了吸附热力学和动力学。四是Cr(Ⅵ)的去除机制分析。结合p H和XPS探讨了两种复合材料对Cr(Ⅵ)的去除机制。主要结论如下:(1)凹凸棒石和葡萄糖质量比1:4,水热碳化制备的AT@C最佳,表面含有-COOH、-OH、-CH等有机官能团;通过添加柠檬酸,水热碳化制备的CA-AT@C表面羧基含量提高7.8%;水热碳化过程中,凹凸棒石的晶体结构并未发生改变。AT@C的p Hzpc约为2.8,而CA-AT@C的p Hzpc约为4.4。(2)AT@C静态吸附实验,吸附量随着Cr(Ⅵ)初始浓度升高而增大,吸附平衡时间约为8 h;符合准二级动力学模型。同时,等温吸附过程符合Langmuir模型,温度由20℃增加到50℃,对应的最大理论吸附容量由21.93 mg/g增加到32.47 mg/g。(35)H>0,(35)G<0,(35)S>0,表明该吸附是一种吸热、自发和熵增过程。对于20 m L浓度100 mg/L的Cr(Ⅵ)溶液,在p H 1~10,Cr(Ⅵ)去除率随p H升高而减小,在p H=1时最大,为92.7%,吸附率为48.5%,还原率为44.2%;而总铬吸附率随p H先增大后减小,在p H=2时最大,吸附率为50.2%,还原率为13.0%;表明对Cr(Ⅵ)去除是吸附—还原耦合作用结果,酸性越强,越有利于还原。(3)CA-AT@C静态吸附实验,CA-AT@C对Cr(Ⅵ)的去除率为89.0%,AT@C为68.0%,而纯凹凸棒石为1.5%,表明添加柠檬酸改性凹凸棒石能进一步提高其对Cr(Ⅵ)去除能力。CA-AT@C对Cr(Ⅵ)吸附平衡时间约为12 h;符合准二级动力学模型。同时,等温吸附过程符合Langmuir模型,温度由20℃增加到50℃,对应的最大理论吸附容量由46.08 mg/g增加到75.26 mg/g。(35)H>0,(35)G<0,(35)S>0,表明该吸附是一种吸热、自发和熵增过程。对于20 m L浓度150mg/L的Cr(Ⅵ)溶液,在p H 1~10,Cr(Ⅵ)去除率随p H升高而减小,在p H=1时最大,为97.1%。而总铬吸附率随p H先增大后减小,在p H=2时最大,吸附率为58.8%。在中性或碱性条件下,不利于总铬的吸附。(4)XPS分析AT@C和CA-AT@C两种复合材料对Cr(Ⅵ)的去除包括以下过程:(1)在酸性环境中,Cr(Ⅵ)通过与复合材料表面的含氧官能团(如-OH和-COOH)静电和配位作用吸附在吸附剂表面;(2)吸附在表面的Cr(Ⅵ)被吸附剂表面的还原性基团(如-OH)还原成Cr(Ⅲ);(3)Cr(Ⅲ)一部分通过复合材料表面质子化的-(10)2COOH和-(10)2OH的静电斥力释放到溶液中,另一部分则通过与复合材料表面的-COOH配位作用和Mg2+、Al3+等阳离子交换作用重新被吸附在表面。结果表明AT@C和CA-AT@C对Cr(Ⅵ)的去除是吸附—还原耦合作用结果。