钛柱撑蒙脱石颗粒的制备及其对镉离子的吸附研究

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针对粉状蒙脱石遇水易形成泥浆固液分离困难的缺点,本研究以蒙脱石为主要原料,对其进行柱撑改性、成型和吸附效果研究。论文主要分为以下三部分:1.以钠基蒙脱石(Na-MMT)作基质材料,钛酸四丁酯为钛源,制备钛柱撑蒙脱石(Ti-MMT),然后以聚乙烯醇(PVA)为粘结剂、海藻酸钠(SA)为交联剂,通过挤出造粒,制备Ti-MMT颗粒,并考察粘结剂、交联剂和Ti-MMT的用量等因素对Ti-MMT颗粒性能的影响,研究粉状Ti-MMT的成型条件。在此基础上,通过静态吸附实验,探讨Ti-MMT颗粒对模拟镉离子废水的去除性能,并从吸附等温线模型、动力学及热力学探讨了Ti-MMT颗粒对镉离子模拟废水的吸附机理,研究了投加量、p H、镉离子初始浓度、吸附温度、吸附时间对去除效果的影响。研究结果表明:Ti-MMT颗粒的最佳制备条件为:PVA:SA:Ti-MMT=0.6:1.0:20.0(质量比),该条件下Ti-MMT颗粒对Cd2+的吸附量为15.99 mg/g,去除率为79.61%,散失率为7.48%。在投加量M=0.25 g,初始p H=6,初始浓度C=100 mg/L,吸附温度T=40℃,吸附时间t=120 min的条件下,颗粒对Cd2+的吸附量为7.89 mg/g,去除率达到98.63%,且在20℃时,吸附符合Langmuir等温模型,推测颗粒对Cd2+的吸附属于单分子层吸附,RL值在0~1之间,说明吸附过程属于优惠吸附,吸附反应易发生。Ti-MMT颗粒吸附Cd2+的热力学参数ΔH、ΔG及ΔS表明吸附过程是一个吸热熵增过程,受氢键力及偶极间作用力的共同影响,既存在物理吸附,也存在络合作用。吸附120 min达到平衡,吸附过程可用拟二级动力学方程描述,吸附过程存在液膜扩散、颗粒内扩散等多个环节。2.为进一步提高Ti-MMT颗粒的机械性能,对挤出造粒的Ti-MMT颗粒进行焙烧,考察焙烧温度、焙烧时间、预热温度以及预热时间对颗粒孔隙和对Cd2+去除效果的影响,并对焙烧后的颗粒进行了循环回收性能测试。研究结果表明:经焙烧后,Ti-MMT颗粒的吸附能力降低。焙烧温度为600℃,焙烧时间为90 min,预热温度为400℃,预热时间为20min时,制备的Ti-MMT颗粒具有良好的吸附能力及颗粒强度,去除率为67.95%,散失率为4.65%,三个循环后,颗粒仍保持稳定,去除率约为67%,散失率约为4.21%。3.对Ti-MMT颗粒进行表征。XRD分析表明,造粒及焙烧过程破坏了蒙脱石的层间结构。FTIR分析表明PVA、SA与Ti-MMT之间存在一定的键合关系。SEM图像分析得知,PVA粘结了细小的片状蒙脱石构成了众多网状小孔道,焙烧后PVA发黑碳化,孔洞结构间的无定形物质刚性增强。BET表明Ti-MMT颗粒化后,比表面积及总孔容减小,孔径增大,焙烧后,比表面积、孔径及孔容进一步提高。粉状Ti-MMT的吸附-脱附等温线属于第Ⅱ类,吸附等温曲线属于B型吸附回线。颗粒焙烧前后的吸附-脱附等温线形状相近,滞后环都属于BDDT分类中的IV型。TG-DSC分析表明,相较于粉状Ti-MMT,颗粒质量损失更少,加入的PVA对曲线形状产生一定影响,焙烧过程对颗粒的高温状态下(>600℃)的结构变化并无较大影响。
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