Pb（Ⅱ）在层状双金属氢氧化物上的吸附规律研究

论文摘要

进入21世纪以来,环境问题正日益引起全球关注,污染物的排放已经对生态安全和人类健康造成了严重的威胁,其中重金属污染的治理已经成为环境学科中的研究热点。在环境中的重金属,其在固/液界面的吸附与解吸是决定重金属地球化学过程和环境生态效应的根本问题。对这一基本现象的科学认识是了解重金属污染物的形态分布、迁移转化与最终归属以及开发污染土壤与废水修复治理技术的基础。现有的关于吸附研究的文献多采用带结构负电荷的材料作为吸附剂,荷结构正电荷材料与重金属相互作用的研究鲜有报道。本文选择带有结构正电荷的层状双金属氢氧化物（Layered double hydroxides,LDHs）为模型吸附剂,研究了重金属离子Pb（Ⅱ）在LDHs/H2O界面上的吸附行为,考察多种影响因素,由此探讨结构电荷或由此而引起的界面相微观环境酸碱性对重金属吸附的影响规律,以期加深对吸附机理的认识。本文主要内容归纳如下:首先综述了重金属污染的现状、危害,重金属在固/液界面吸附宏观实验研究进展、微观吸附机理解释并简要介绍了层状双金属氢氧化物的特点与性能等。实验第一部分,合成了分子式为[Mg0.72Fe0.28（OH）2]Cl0.06（OH）0.22的Mg-Fe型LDH,并研究了Pb（Ⅱ）在Mg-Fe型LDH上的吸附等温线、吸附动力学,考察了pH、电解质等因素对吸附的影响,并结合X射线衍射与红外光谱等方法探讨吸附机理。结果显示:Mg-Fe型LDH对Pb（Ⅱ）具有很强的吸附能力,其吸附动力学可以用准二级动力学方程和双指数动力学方程拟合,吸附等温线可以用S型等温线Aranovich-Donohue等温式拟合。Mg-Fe型LDH具有很强的pH缓冲能力,Pb（Ⅱ）溶液初始pH对最终吸附量无明显影响。支持电解质对吸附亦无明显影响。Pb（Ⅱ）在Mg-Fe型LDH上吸附的微观机理以生成碱式碳酸铅沉淀的表面沉淀为主,表面络合为辅,其中表面络合又可分为化学键合和静电键合。实验第二部分,合成了层间阴离子分别为Cl-,NO3-,CO32-,EDTA的四种不同Mg-Al型LDHs。阴离子对LDHs吸附Pb（Ⅱ）的能力有很大影响,其吸附能力大小顺序为:Mg3Al-CO3LDH＞＞Mg3Al-Cl LDH＞Mg3Al-NO3LDH＞Mg3Al-EDTALDH。Mg3Al-CO3LDH对Pb（Ⅱ）的吸附机理可以解释为Pb（Ⅱ）在LDHs微界面碱性环境中与层间CO32-作用生成碱式碳酸铅沉淀。Pb（Ⅱ）在Mg3Al-Cl LDH和Mg3Al-NO3LDH上的吸附可用Aranovich-Donohue等温式拟合,其吸附机理主要为Pb（Ⅱ）与LDH表面羟基的表面络合作用。Mg3Al-EDTA LDH吸附Pb（Ⅱ）的主要机制为层间EDTA与Pb（Ⅱ）形成络合物从而完成吸附。实验第三部分,合成了Mg-Al-Fe型LDHs,其中电荷数维持恒定但Fe含量逐渐增加。研究发现可以用双指数动力学方程和准一级动力学方程拟合Pb（Ⅱ）在Mg-Al-Fe型LDHs上的吸附动力学,其吸附等温线可用Freundlich等温式较好地拟合。随着样品中Fe含量的增加,初始快速吸附阶段吸附速率变大,平衡吸附量增加。Pb（Ⅱ）在Mg-Al-Fe型LDHs上的吸附机制主要是通过LDHs在溶液中造成的局部微环境pH升高,致使生成碱式碳酸铅沉淀Pb3（CO3）2（OH）2。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 重金属污染概述
• 1.1.1 重金属的概念
• 1.1.2 铅的性质及毒理学
• 1.1.3 重金属污染处理方法
• 1.2 重金属在固/液界面吸附的宏观实验研究
• 1.2.1 吸附等温线
• 1.2.2 吸附动力学
• 1.3 重金属在固/液界面吸附的微观机理
• 1.3.1 吸附
• 1.3.2 表面沉淀
• 1.3.3 吸收
• 1.4 层状双金属氢氧化物
• 1.4.1 LDHs的晶体结构与化学组成
• 1.4.2 LDHs的制备方法
• 1.4.3 LDHs的吸附性能
• 1.5 本文选题来源和主要内容
• 1.6 参考文献
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验试剂
• 2.2 实验仪器
• 2.3 LDHs样品制备
• 2.4 吸附实验
• 2.5 LDHs样品表征
• 第三章 Pb（Ⅱ）在Mg-Fe型LDH上的吸附研究
• 3.1 引言
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 吸附动力学
• 3.2.2 pH对吸附的影响
• 3.2.3 吸附等温线
• 3.2.4 电解质对吸附的影响
• 3.2.5 LDHs及吸附产物的XRD表征
• 3.2.6 LDHs及吸附产物的FT-IR表征
• 3.3 吸附机理
• 3.4 结论
• 3.5 参考文献
• 第四章 Pb（Ⅱ）在Mg-Al型LDHs上的吸附研究
• 4.1 引言
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 样品的XRD表征
• 4.2.2 吸附等温线
• 4.2.3 吸附产物表征及吸附机理
• 4.3 结论
• 4.4 参考文献
• 第五章 Pb（Ⅱ）在Mg-Al-Fe型LDHs上的吸附研究
• 5.1 引言
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 吸附动力学
• 5.2.2 吸附等温线
• 5.2.3 TEM表征
• 5.2.4 XRD表征
• 5.2.5 FT-IR表征
• 5.3 结论
• 5.4 参考文献
• 第六章 本文的主要结论及创新点
• 硕士期间发表论文
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表