有机蒙脱石的制备、表征及对水中有机污染物吸附性能的研究

论文摘要

有机蒙脱石在废水处理和污染环境修复中的应用及机理研究是环境科学与工程领域的热点之一。本文以天然蒙脱石为原料,进行钠化改型,采用常规水相合成法制备系列有机蒙脱石,借助X射线衍射（XRD）分析、比表面积测定（BET）、傅立叶红外光谱（FTIR）分析对材料进行表征,探讨材料的形成和液相吸附特性及其对食品废水中多种有机污染物共存时的吸附作用。论文的研究内容及主要结果包括:1.考察了NaCl和Na2CO3两种钠化剂对钙基蒙脱石的钠化改型效果,钠化改型后的膨胀容、膨润值和阳离子交换容量（CEC）各项指标比原矿有较大幅度提高。钠化剂NaCl的改型效果好于Na2CO3,这是由于CO32-与交换出来的Ca2+形成难溶化合物的原因。2.分别以十六烷基三甲基溴化铵（CTMAB）和溴代十六烷基吡啶（CPB）为有机插层剂,采用常规水相合成法制备了有机蒙脱石。XRD和FTIR分析表明,蒙脱石经有机柱撑后矿物的基本骨架没有变化,表面活性剂已经进入蒙脱石层间。结构特性分析推测,有机蒙脱石中CTMAB在矿物晶层间呈假三层和倾斜单层排布共存,CPB在矿物晶层间呈假三层和倾斜单层排布共存。3.研究了邻硝基苯甲酸和间硝基苯甲酸在不同改性蒙脱石上的吸附行为。首先,研究了邻硝基苯甲酸在钠化蒙脱石（Na+-蒙脱石）和CTMAB完全交换的有机蒙脱石（CTMAB-蒙脱石、CTMAB微乳液-蒙脱石）上的吸附,利用正交试验优化了反应条件,研究结果表明,邻硝基苯甲酸的吸附按以下顺序递减:CTMAB微乳液-蒙脱石> CTMAB-蒙脱石> Na+-蒙脱石,邻硝基苯甲酸的吸附动力学符合拟二级动力学模型,而吸附等温线与Langmuir方程拟合的很好（R2 > 0.98）。其次,采用批次平衡法研究了间硝基苯甲酸在四种CPB类有机蒙脱石（120CPB/30SDS-蒙脱石、CPB-蒙脱石、CPB微乳液a-蒙脱石、CPB蒙脱石b-蒙脱石）上的吸附。结果表明,这四种有机蒙脱石均能够有效吸附水中的间硝基苯甲酸,吸附动力学符合拟二级动力学模型,而吸附等温线与Freundlich方程拟合的很好（R2 > 0.98）。4.研究了食品废水中同时存在两种有机污染物时,对苯二酚对有机蒙脱石吸附苯甲酸的影响。选用双波长线性回归法测定食品废水中苯甲酸和对苯二酚的吸光度,确定双波长为λ1 = 229 nm和λ2 = 300 nm,并绘制了吸附等温线。实验结果表明:有机蒙脱石对混合溶质水溶液中极性有机物苯甲酸的吸附能力强于对单一溶质水溶液中苯甲酸的吸附能力,对苯二酚的加入对苯甲酸的吸附表现出一定的协同吸附能力。本论文的系统性、科学性和新颖性1.系统性主要合成了两个系列的有机蒙脱石:CTMAB类有机蒙脱石与CPB类有机蒙脱石。将所合成有机蒙脱石应用到第二部分的研究中,考察了与水体中苯甲酸类有机污染物的相互作用,对反应的最佳条件进行了优化。全文既包括了对不同表面活性剂改性的有机蒙脱石之间以及有机蒙脱石与不同有机污染物吸附作用的横向比较,也对单个体系的纵向深入研究做了大量工作。2.科学性粘土矿物不仅是土壤重要组分之一,也是自然界广泛存在的非金属矿物,在工业中有着广泛的应用。研究苯甲酸类污染物在粘土矿物上的吸附作用,不仅可以理解苯甲酸类污染物在矿物界面的迁移规律,而且对粘土矿物在污染治理中的应用具有重要的参考价值。本论文对所得到产品进行了全面的表征,确定其化学结构与目标产物一致。在研究与水体中有机污染物相互作用时,利用正交试验优化反应条件,计算了动力学参数,利用Freundlich和Langmuir吸附模型对有机蒙脱石吸附有机污染物的机理作出合理的探讨。3.新颖性本研究的创新之处在于以资源十分丰富的钙基蒙脱石为原料,选择几种微乳液进行新型有机蒙脱石的制备,获得了尚未见报道的新型层间化合物,并从多个方面对新型插层剂的插层效果和所制备的新型有机蒙脱石的性能进行了表征和评价,为此类化合物的开发应用奠定了基础;将所合成有机蒙脱石用于与水中有机污染物作用的研究中,采用正交实验方法优化反应条件,建立了两个吸附体系,结果令人满意;研究了在食品废水中同时存在两种有机污染物时,对苯二酚对有机蒙脱石吸附苯甲酸的影响,考察了吸附机理,比较了不同类型有机蒙脱石与水体中不同污染物作用的异同。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1 蒙脱石的结构
• 2 蒙脱石的改性
• 2.1 蒙脱石的钠化改型
• 2.2 蒙脱石的有机改性
• 3 有机蒙脱石结构表征
• 3.1 X 射线衍射（XRD）
• 3.2 红外光谱（IR）
• 3.3 BET 表面及粒度分析
• 4 吸附机理
• 5 吸附模型
• 5.1 吸附等温线方程
• 5.2 吸附动力学模型
• 6 研究目的、意义和主要研究内容
• 6.1 研究目的、意义
• 6.2 主要研究内容
• 第二章 不同类型蒙脱石的制备及性能测试
• 1 主要试剂及溶液配置
• 2 实验仪器
• 3 钠化蒙脱石的制备及性能测试
• 3.1 天然蒙脱石的化学组成
• 3.2 蒙脱石钠化预处理实验方法
• 3.3 钠化蒙脱石的性能测试
• 3.3.1 膨胀容
• 3.3.2 膨润值
• 3.3.3 胶质价
• 3.3.4 吸蓝量
• 3.3.5 阳离子交换容量（CEC）
• 4 有机蒙脱石的制备及表征结果
• 4.1 有机蒙脱石的合成
• 4.2 X 射线衍射（XRD）分析
• 4.3 BET 表面及孔隙度分析
• 4.4 红外光谱分析
• 4.5 有机蒙脱石的形成和结构特性
• 4.6 排布模式
• 5. 小结
• 第三章 有机蒙脱石的液相吸附特性
• 第一节 CTMAB 类有机蒙脱石吸附水中邻硝基苯甲酸的研究
• 1 实验方法
• 2 实验结果与讨论
• 2.1 吸附剂用量的选择
• 2.2 吸附动力学
• 2.3 pH 对邻硝基苯甲酸吸附的影响
• 2.4 正交实验法探索其最优条件
• 2.4.1 实验方法
• 2.4.2 结果讨论
• 2.5 吸附等温线实验
• 2.5.1 实验方法
• 2.5.2 CTMAB 类有机蒙脱石吸附等温线的比较
• 第二节 CPB 类有机蒙脱石吸附水中间硝基苯甲酸的研究
• 1 实验方法
• 2 实验结果与讨论
• 2.1 吸附动力学
• 2.2 pH 对间硝基苯甲酸吸附的影响
• 2.3 吸附等温线
• 本章小结
• 第四章 对苯二酚对苯甲酸在CTMAB 类有机蒙脱石上吸附行为的影响
• 1 测定方法的建立
• 2 有机蒙脱石吸附等温线实验
• 2.1 实验方法
• 2.2 CTMAB-蒙脱石吸附等温线比较
• 2.3 CTMAB 微乳液-蒙脱石吸附等温线对比
• 2.4 结论
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及获奖情况