论文部分内容阅读
近年来,随着印染、纺织等工业的快速发展,有机废水对生态环境和人类健康的危害日趋严重。层状材料因具有特殊的层状结构、大比表面积及制备成本低等优势被广泛应用于有机废水治理。层状材料吸附有机污染物后形成的固体产物,即有机层状废弃物,若不经有效处置,易引发二次污染。因此,为进一步提高层状材料在有机废水处理的应用,对有机层状废弃物处置势在必行。目前,常规处置有机层状废弃物的方法如直接煅烧,虽操作简单,但有氧煅烧不仅会释放CO2、SO2和NOx等温室气体,对大气造成污染,同时浪费了有机污染物中有价值的碳、硫或氮资源。因此,亟需探寻适宜方法,以实现对有机层状废弃物的高附加值资源化处置。本研究利用“前驱体-热解”法,以负载十二烷基硫酸钠（SDS）后的镁铝双金属氢氧化物（O3D-SDS）为有机层状废弃物代表,通过溶剂热反应向O3D-SDS前驱体中引入磁性物质Fe3O4后,在氩气气氛下高温热解制得Fe3O4负载硫掺杂石墨烯类碳/双金属氧化物（MG/S-LDO）。通过改变SDS浓度探究其对O3D-SDS有机负载量的影响及引入不同铁掺量探究其对制备的MG/S-LDO的影响,并确定了最佳SDS浓度及铁掺量。借助X-射线衍射仪（XRD）、振动样品磁强计（VSM）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、能量分布面扫描分析（EDS-mapping）、拉曼光谱（Raman spectra）、傅里叶红外光谱仪（FT-IR spectra）及射线光电子能谱仪（XPS）等手段表征MG/S-LDO组分及结构。同时,针对染料废水和重金属废水对生态环境、人类活动和健康等构成的极大威胁,通过开展MG/S-LDO处理含甲基橙（染料代表）模拟废水和含铅（重金属代表）模拟废水的静态吸附实验,探究其吸附性能。考察了体系p H、反应时间、溶液初始浓度和反应温度对其吸附效果的影响,并借助动力学模型、吸附等温模型、热力学模型和分析反应前后固体产物的XRD、FT-IR及XPS等表征结果,确定出MG/S-LDO对两种污染物的反应机理。具体研究结果如下:（1）最优的SDS投加浓度及Fe3+浓度分别为0.1 mol/L和0.03 mol/L。优选参数后制得MG/S-LDO0.03表征结果表明:O3D-SDS1依次经溶剂热反应、高温无氧热解处理后成功转化为MG/S-LDO0.03,其中Mg Al-LDH组分转化为Mg Al-LDO;SDS组分转化为硫掺杂石墨烯类碳材料;磁性物质Fe3O4被成功引入。VSM结果表明,MG/S-LDO0.03的饱和磁性强度为11.0 emu/g,能达到固液分离的目的。SEM及TEM结果说明MG/S-LDO0.03是由大量LDOs纳米片交织构成的三维花状结构,同时其表面还负载有平均尺寸约为62.3 nm的Fe3O4微球。Zeta电位表明MG/S-LDO0.03在水溶液中呈电负性。（2）MG/S-LDO0.03对阴离子型染料MO的去除研究表明:MG/S-LDO0.03因表面含有-COOH、-C-S和-OH等丰富官能团具有抵抗外界p H的干扰能力。其对MO的吸附在反应时间为6 h时达到平衡,去除率为100%;当温度为25oC,MO的初始浓度为2000 mg/L和固体投加量为1 g/L时,MG/S-LDO0.03对MO的理论吸附量高达1472.58 mg/g。热力学拟合结果表明,MG/S-LDO0.03对MO的去除反应为自发、吸热的过程,提高反应体系温度有利于吸附反应的进行。（3）MG/S-LDO0.03对MO的去除行为符合伪二级速率方程（R~2=0.9998）和Langmuir等温吸附模型（R~2=0.971）,表明其对MO的吸附是一种单层、化学吸附。由XRD、FT-IR和XPS分析结果可知,LDOs组分通过“记忆效应”吸附MO作为层间阴离子而形成LDHs,且其金属氧键（如,Mg-O、Al-O）会与MO的官能团发生络合作用,促进对MO的去除。此外,碳组分表面O-C=O和C-S基团会与MO上的N（CH3）2基团可发生π-π电子供体–受体（EDA）效应。经5次循环后,MG/S-LDO0.03对MO的去除效率依旧能维持在85%以上,表明MG/S-LDO0.03是一种优秀的净化染料废水的吸附剂。（4）MG/S-LDO0.03对重金属离子Pb2+的去除研究表明:MG/S-LDO0.03吸附Pb2+受溶液p H的影响较小。在p H为3-7时,对初始浓度为100 mg/L的Pb2+去除率都能达到95%以上;MG/S-LDO0.03对Pb2+的吸附在4 h时达到平衡;当温度为25 oC,采用的Pb2+初始浓度为2000 mg/L和投加量为1 g/L时,MG/S-LDO0.03对Pb2+的理论吸附量高达655.92 mg/g。热力学拟合结果表明,MG/S-LDO0.03对Pb2+的去除反应为自发、吸热的过程,提高反应温度有利于吸附反应的进行。（5）MG/S-LDO0.03对Pb2+的去除行为符合伪二级速率方程（R~2=0.9998）和Freundlich等温吸附模型（R~2=0.974）,表明其对Pb2+的吸附是一种多层、化学吸附。吸附Pb2+后,固样表征分析结果表明:MG/S-LDO0.03中LDOs组分水化释放OH-对Pb2+起到沉淀作用,且碳组分表面C-S等含硫基团会与Pb2+形成强烈的共价键,促进对Pb2+的去除。经5次循环后,MG/S-LDO0.03对Pb2+得去除效率依旧能维持85%以上,表明MG/S-LDO0.03也是一种优秀的净化重金属废水的吸附剂。