碱性修饰介孔氧化铝的制备及其对CO2和Cr(Ⅵ)吸附性能的研究

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CO2的捕获、封存和资源化利用以及含Cr(VI)重金属废水的处理是广受关注的科学问题。本论文致力于拓宽介孔氧化铝的制备和应用领域,探索碱性修饰介孔氧化铝基复合吸附剂对主要温室气体CO2和重金属Cr(VI)的吸附性能,主要研究结果如下:(1)采用溶剂蒸发诱导自组装法,以异丙醇铝为铝源,P123为模板剂,浓硝酸为pH调节剂,首先制备出了氧化铝与P123的介孔复合相;然后通过过量浸渍法制备了介孔氧化铝负载四乙烯五胺(TEPA)的复合吸附剂。采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、氮气吸附-脱附、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、元素分析(EA)、CO2程序升温脱附(CO2-TPD)等表征手段对吸附剂的物相、微结构和表面碱性等物理化学性质进行了表征。研究表明:制备的样品PA和PA-TEPA均具有无定形孔壁;在浸渍过程中一步完成了模板剂P123的萃取和功能基团四乙烯五胺的负载,从而使样品的比表面积和孔容增加,比表面积从功能化前的23.9m2·g-1增加到功能化后的67.4m2·g-1,孔容从功能化前的0.07cm3·g-1增加到功能化后的0.18cm3·g-1,平均孔径变化不大,分别为10.7nm和10.9nm,不仅样品的织构性质显著改善,同时也提高了样品表面的碱性位数量和强度;PA-TEPA中TEPA的含量为20.3%,P123的有效去除率达到93.0%。该合成方法不仅简单,并且能有效地降低制备过程的能耗,提高制备过程的效率;(2)对比研究了氨基功能化介孔氧化铝PA-TEPA和功能化前的样品PA对Cr(VI)和CO2的吸附性能。实验考察了吸附过程中的影响因素如溶液初始pH、吸附剂投加量、吸附时间和Cr(VI)初始浓度对吸附效果的影响。研究表明:两种样品对Cr(VI)的吸附效果受溶液初始pH的影响均较大,Cr(VI)的去除率随着pH值的升高而降低,最佳pH为2;当Cr(VI)初始浓度小于50mg/L时PA-TEPA的去除率可达100%;随着吸附剂投加量和吸附时间的增加,Cr(VI)的去除率逐渐升高,然后趋于稳定,最佳的投加量为20g/L;吸附速率也有很大提升,PA-TEPA在0.5min之内的去除率就能达到92%左右,约30min就能达到吸附平衡,而PA达到吸附平衡要需要约90min;PA对Cr(VI)的吸附动力学较好地符合拟一级动力学模型,PA-TEPA的吸附动力学更好地符合拟二阶动力学模型;饱和吸附量从功能化前30.3mg/g提高到功能化后的59.5mg/g;对于样品PA的等温吸附数据更符合Freundlich模型,而对于功能化后的PA-TEPA更符合Langmuir模型;氨基功能化也大大提高了样品对CO2的吸附性能,在25℃、750mnHg下,样品PA和PA-TEPA对CO2的吸附量分别为0.07mmol/g和0.70mmol/g,提高了近十倍;(3)采用溶剂蒸发诱导自组装法,以九水合硝酸铝为铝源,P123为模板剂,柠檬酸为稳定剂和pH调节剂,制备出了孔径分布均匀且孔道有序的介孔氧化铝载体。然后分别通过过量浸渍法和等体积浸渍法制备了介孔氧化铝负载KNO3的吸附剂,比较了两种方法制得的样品在室温下对CO2的静态吸附性能。通过XRD、TEM、氮气吸附-脱附、XPS、电感耦合等离子发射光谱(ICP-AES)、CO2-TPD等表征手段对吸附剂的物相、微结构和表面碱性质进行了表征。实验结果表明:浸渍后,该材料在室温下对CO2的静态吸附量比浸渍前有明显提高,且由过量浸渍法制得的样品WKOMAl室温下CO2的静态吸附性能要优于等体积浸渍DKOMAl,吸附量从浸渍前的0.53mmol/g提高到过量浸渍后的1.13mmol/g,等体积浸渍后的0.67mmol/g;过量浸渍改性的吸附剂WKOMAl有较好的循环使用性能,吸附-脱附循环3次后的吸附量仍达到1.07mmol/g,为首次吸附量的95%左右;使用中性盐KNO3作为改性剂,在高温活化后原位生成碱性位,从而避免了在室温下吸附空气中的杂质如CO2等的污染,有利于吸附剂的保存。
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