水滑石类层状化合物的插层组装及其吸附性能研究

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水滑石类化合物(LDH)是自然界唯一一类阴离子型粘土矿物,具有板层组成可调控、层间阴离子可交换、结构记忆效应等特点,可广泛应用于环境保护和工、农业生产等领域。本文围绕进一步明确LDH的结构与吸附性能的构-效关系、开发新型可再生高效吸附剂等问题,系统研究了电荷密度对LDH吸附酸性染料的影响,对比考察了LDH及其焙烧产物(LDO)对酸性染料吸附性能的差异,并考证了LDO的再生回用性,重点探究了阴离子表面活性剂负载量对有机改性水滑石的吸附特征的影响。论文研究拟为提高水滑石类材料在污水控制中的应用效率、开发新型高效可再生吸附剂提供一些理论依据。本文得到的主要研究结果如下:(1)证实CO32--LDH对酸性染料的吸附机制包括了表面吸附和离子交换作用,并发现LDH对酸性染料的吸附性能与其电荷密度呈负相关的趋势。制备了3种电荷密度(Mg/Al=2、3和4)的LDH,对酸性染料的吸附实验显示:随着电荷密度的增加LDH吸附性能逐渐降低,如茜素红染料的最大吸附量在Mg/Al=4时为192.6mg/L,当电荷密度增加时最大吸附量依次降为155.3mg/L和118.5mg/L。电荷密度的增加使层间CO32-与LDH片层的静电作用增强,离子交换作用反而受到限制;同时样品的比表面积减小,降低了吸附剂对酸性染料的吸附性能。(2)发现MgFe-LDH焙烧后的氧化产物LDO对酸性染料靛蓝二磺酸钠吸附特性与前驱体有显著差异。焙烧后样品比表面积显著增大,由52.31m2/g增至102.55m2/g。以LDO独特记忆效应为基础的结构重建为驱动力使LDO的吸附效力大大提升。LDH和LDO对靛蓝二磺酸钠的等温吸附线均符合Langmuir方程,吸附过程符合假二级反应动力学方程。考察LDH的回收利用性发现循环4次再生后依然保持良好的吸附效果。(3)明确有机水滑石吸附有机物以熵驱动为主,并发现随着表面活性剂负载量的增加,硝基苯的吸附系数Koc保持相对恒定。十二烷基硫酸钠(SDS)改性的LDH其层间距随DS-负载量的增加而逐渐增大,高负载量时DS-在层间可以倾斜双层模式排列。LDH-DS对硝基苯有较好的吸附效果,等温吸附曲线为线性,表明其吸附过程主要为分配作用,分配系数Kd值从39.5mL/g增大到73mL/g,而Koc值基本稳定在200mL/g。动力学吸附实验显示吸附过程符合假二级动力学方程;热力学实验表明吸附过程为吸热反应,熵增加是吸附过程的主要推动力,其吸附自发性随着温度的升高而增强。
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