面向工业应用的铬离子(Ⅲ)吸附剂的制备及其吸附工艺的优化

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随着现代工业的发展,水中铬离子(Ⅲ)的污染也越来越严重。大量的铬离子(Ⅲ)不仅对生态环境造成了危害,而且威胁着人类的健康,铬离子(Ⅲ)的污染越来越受到人们的重视。吸附法是常用的处理水中铬离子(Ⅲ)污染的方法。SBA-15分子筛,因其比表面积大,拥有高度有序的孔道,良好的水热稳定性和化学稳定性,且孔径大小可调,是吸附水中铬离子(Ⅲ)的理想吸附剂。但是纯硅系的SBA-15分子筛缺少活性基团,对水中铬离子(Ⅲ)的吸附能力弱。通过表面修饰的方法可提高SBA-15分子筛的吸附铬离子(Ⅲ)的性能。本论文首先采用水热合成法制备SBA-15介孔分子筛,然后利用后嫁接法制备出3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)功能化的SBA-15介孔分子筛(NH2-SBA-15),并以此为基础,通过席夫碱反应将2-乙酰噻吩引入到SBA-15表面,形成2-乙酰噻吩功能化改性的SBA-15(A-SBA-15)。利用SEM、EDX、FT-IR、TEM、TGA、N2吸脱附和XRD等表征手段对功能化前后的SBA-15分子筛进行表征。研究了不同初始浓度、吸附温度、吸附时间、不同pH值下,功能化前后的SBA-15分子筛对铬离子(Ⅲ)的吸附性能,并确定最佳的吸附条件。分析了吸附过程中的热力学和动力学,建立了相应的吸附数学模型。研究了相关的吸附行为,确定功能化SBA-15分子筛对铬离子(Ⅲ)的吸附机理。以工业化应用为背景,将A-SBA-15吸附剂应用于吸附分离柱连续吸附实验中,研究了不同床层高度、流速和初始浓度下的突破曲线,并进行了相关的模型拟合,为工业化提供了科学基础。结果表明:(1)SBA-15分子筛经APTMS和2-乙酰噻吩修饰后,其晶型结构没有发生明显变化,但是改性后的SBA-15分子筛的比表面积与孔径尺寸减小。吸附实验研究表明,A-SBA-15具有良好的铬离子(Ⅲ)吸附性能,SBA-15分子筛、NH2-SBA-15、A-SBA-15对铬离子(Ⅲ)的最大吸附容量分别为9.8mg/g、18.10mg/g和114.2mg/g。(2)Langmuir模型能很好地描述NH2-SBA-15和A-SBA-15对铬离子(Ⅲ)的吸附特征。经吸附动力学分析,NH2-SBA-15和A-SBA-15对铬离子(Ⅲ)吸附过程都符合拟二级动力学模型,且NH2-SBA-15和A-SBA-15对铬离子(Ⅲ)都是单层吸附,以化学吸附为主。经吸附热力学分析,铬离子(Ⅲ)在NH2-SBA-15和A-SBA-15上的吸附是一个可行的自发过程。并且所制备的吸附剂NH2-SBA-15和A-SBA-15具有良好的再生性能。(3)利用Thomas和Yan模型拟合了不同床层高度、流速和初始浓度下的动力学参数,并预测了不同床层高度、流速和初始浓度下的突破曲线。研究结果表明,A-SBA-15在去除水中铬离子(Ⅲ)方面具有潜在的工业应用价值。
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