应用层状硅酸盐矿物制备多孔材料及其吸附性能研究

论文摘要

层状硅酸盐具有特殊的结构、独特的性能,是一类重要的非金属矿物资源。随着非金属矿物资源在功能材料领域的大量应用,以层状硅酸盐矿物为原料,采用机械活化、热活化、化学改性等方法制备多孔材料的研究越来越受到广泛的关注。本文研究了以层状硅酸盐矿物高岭石和叶蜡石为原料制备多孔矿物材料的方法,以及多孔材料对重金属离子的吸附特性。以高岭石为原料制备氧化铝多孔材料的工艺是：焙烧温度1150℃,焙烧时间15min,浸出用氢氧化钠120g/L,浸出温度120℃,浸出时间100min,液固比10:1。所制备的氧化铝多孔材料,其比表面积为55.8m2/g,平均孔径为10.43nm,孔容为0.1455cc/g。以叶蜡石为原料制备氧化铝多孔材料的工艺是：焙烧温度1150℃,焙烧时间15min,浸出用氢氧化钠120g/L,浸出温度120℃,浸出时间100min,液固比10:1。所制备的氧化铝多孔材料,其比表面积为42.7m2/g,平均孔径为21.14nm,孔容为0.2329cc/g。以高岭石为原料制备氧化硅多孔材料的工艺是：焙烧温度850℃,焙烧时间15min,浸出用硫酸浓度20%,浸出温度120℃,浸出时间90min,液固比10:1。该氧化硅多孔材料其表面凹凸不平,呈蠕虫状,比表面积较大,达到280.3m2/g,平均孔径为2.77nm,孔容为0.1945cc/g。依据孔径大小判断,所制备的上述矿物材料均为介孔材料。高岭石和叶蜡石热活化产生的AlV结构可促进氧化铝的溶出,高温阶段生成的无定型Si02能提高氧化硅的溶出率。氧化铝、氧化硅溶出率的变化会使多孔材料的比表面积发生变化,溶出率升高则多孔材料的比表面积变大,但是各种多孔材料的平均孔径、BJH孔径、孔容大小与溶出率并没有呈现明显的相关关系,溶出率的变化并不能控制孔径的大小变化。研究了原矿、焙烧矿和多孔矿物材料对水溶液中铜、铅、镉、铬离子的静态吸附性能,发现多孔氧化铝材料对六价铬离子的吸附能力较小,不足0.5mg/g;对铜、铅和镉离子的吸附能力较好,最高吸附量分别能达到134mg/g,450mg/g,227mg/g;经吸附处理后,水溶液中铜、铅、镉离子浓度能分别从50mg/L,50mg/L,100mg/L降低至0.01mg/L,0.02mg/L,0.01mg/L。氧化铝多孔材料对铜、铅、镉离子吸附动力学的研究结果表明：对铜离子的吸附动力学遵循Bangham速率方程,吸附行为遵循Langmuir等温方程；对铅离子的吸附动力学遵循Elovich速率方程,吸附行为遵循Langmuir等温方程；对镉离子的吸附速率遵循Bangham方程。以层状硅酸盐矿物为原料制备的氧化铝多孔材料对重金属离子的优良吸附性能,为其在重金属离子污染废水治理中的应用提供了新的途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 多孔材料及其应用
• 1.2 多孔材料的制备方法
• 1.3 层状硅酸盐矿物制备多孔矿物材料的研究现状
• 1.3.1 层状硅酸盐矿物的储量
• 1.3.2 层状硅酸盐矿物的结构
• 1.3.3 层状硅酸盐矿物的应用
• 1.3.4 层状硅酸盐矿物制备多孔材料的方法
• 1.4 多孔矿物材料的应用
• 1.5 硅酸盐多孔矿物材料所面临的问题和挑战
• 1.6 本文的研究目的、意义和内容
• 第二章 原料和方法
• 2.1 原料性能
• 2.1.1 原料
• 2.1.2 矿物原料的化学成分和粒度组成
• 2.1.3 物相分析
• 2.1.4 热重分析
• 2.2 研究方法
• 2.2.1 试验流程
• 2.2.2 试验方法
• 2.2.3 测试分析方法
• 第三章 多孔矿物材料的制备
• 3.1 制备机理
• 3.1.1 高岭石的结构
• 3.1.2 叶蜡石的结构
• 3.1.3 热活化浸出行为和机理
• 3.2 多孔氧化铝的制备
• 3.2.1 以高岭石为原料制备多孔氧化铝
• 3.2.2 以叶蜡石为原料制备多孔氧化铝
• 3.3 多孔氧化硅的制备
• 3.3.1 以高岭石为原料制备多孔氧化硅
• 3.3.2 以叶蜡石为原料制备多孔氧化硅
• 3.4 本章小结
• 第四章 多孔矿物材料的表征
• 4.1 多孔氧化铝
• 4.1.1 以高岭石为原料制备的多孔氧化铝
• 4.1.2 以叶蜡石为原料制备的多孔氧化铝
• 4.2 多孔氧化硅
• 4.2.1 孔分布
• 4.2.2 孔径与溶出率的关系
• 4.2.3 表面形貌
• 4.3 本章小结
• 第五章 多孔矿物材料的吸附性能研究
• 5.1 多孔材料对重金属离子的吸附效果
• 5.2 多孔氧化铝材料吸附铜、铅、镉离子
• 5.2.1 以高岭石为原料制备的多孔氧化铝
• 5.2.2 以叶蜡石为原料制备的多孔氧化铝
• 5.3 吸附机制分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的主要研究成果