有机/无机蒙脱土复合材料的制备及吸附性能研究

论文摘要

蒙脱土是一种具有2:1型层状硅酸盐晶体结构的天然矿物质,具有比表面积大、吸附性能良好、层间距可调等特点及储量丰富、成本低廉等有利因素。利用蒙脱土作为吸附剂去解决环境污染问题,将产生巨大的经济效益和良好的环境效应。开展新型改性蒙脱土吸附剂的制备及吸附过程研究,将为去除环境中的污染物提供一种新途径。本论文在国内外对蒙脱土改性研究的基础上,利用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）对钠基蒙脱土进行有机改性,制备出有机蒙脱土（OMMT）,并将其和醋酸纤维素（CA）通过溶液插层法制备出醋酸纤维素/有机蒙脱土（CA/OMMT）纳米复合材料,用X射线衍射光谱（XRD）、扫描电镜（SEM）、热重-差热分析（TG-DTA）等现代测试手段对所制纳米复合材料的结构和性质进行表征分析。当OMMT加入量≦20%,得到剥离型纳米复合材料;当OMMT含量上升到40%,得到插层型纳米复合材料。将制备的CA/OMMT纳米复合材料用于吸附处理酸性大红模拟染料废水。实验考察了 CA和OMMT的用量对酸性大红染料吸附的影响,从而得出该材料吸附性能最好的CA/OM-MT配比为40/60。在此配比下复合材料仍能保持纸状形状,在吸附应用中便于固液分离。在研究吸附液pH值、温度、初始浓度对CA/OMMT60%纳米复合材料吸附酸性大红染料的影响中发现:酸性条件下吸附效果较好,随着pH值接近中性和碱性,吸附效果逐渐降低;材料的吸附性能随着温度的升高逐渐增大,在60 ℃时吸附效果最好,并且温度的上升有助于吸附快速达到平衡;随着吸附液的初始浓度上升,材料的饱和吸附量上升。吸附过程是一个自发、吸热的过程,包含了物理吸附和化学吸附两部分。吸附的动力学曲线和等温吸附线分别能较好拟合二级反应动力学模型和Langmuir等温吸附式。基于长链烷基季铵盐离子与粘土以离子键形式结合,而利用蒙脱土片层端面上的硅羟基（Si-OH）与有机硅烷发生缩合反应可形成相互作用力比离子键更为紧密的共价键,本论文选用正硅酸乙酯（TEOS）、1,6-双三甲氧基硅基己烷与粘土片层端面的羟基进行缩合反应,通过溶胶凝胶法制备片层端面相互连接的蒙脱土杂化材料,并研究材料对酸性大红的吸附能力。通过X射线衍射（XRD）、傅立叶转换红外光谱（FT-IR）、N2等温吸附-脱附（BET）、热重-差示热重（TG-DTA）、扫描电镜（SEM）等测试手段证明,在盐酸的催化作用下,TEOS和1,6-双三甲氧基硅基己烷能分别在蒙脱土层间形成硅烷网状交联物并与蒙脱土片层边缘的羟基连接,使得片层剥离。此外,1,6-双三甲氧基硅基己烷两端都存在硅氧烷基团,水解后分别与蒙脱土的羟基缩合,实现了蒙脱土相邻片层的连接。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 蒙脱土的性能、改性方法及吸附应用
• 1.1.1 蒙脱土主要物化性能
• 1.1.2 蒙脱土改性及吸附处理染料废水应用
• 1.1.2.1 无机酸活化蒙脱土
• 1.1.2.2 无机交联蒙脱土
• 1.1.2.3 烷基铵盐改性蒙脱土
• 1.1.2.4 有机硅烷改性蒙脱土
• 1.1.2.5 无机/有机复合改性蒙脱土
• 1.2 聚合物/蒙脱土纳米复合材料的制备及应用
• 1.2.1 聚合物/蒙脱土纳米复合体系的分类
• 1.2.2 聚合物/蒙脱土纳米复合材料的制备
• 1.2.2.1 聚合物插层复合法
• 1.2.2.2 单体插层原位聚合法
• 1.2.2.3 插层剂的选择
• 1.2.3 纤维素/蒙脱土复合材料
• 1.2.4 聚合物/蒙脱土复合材料在染料废水处理中的应用
• 1.3 课题研究目的和内容
• 参考文献
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验仪器和药品
• 2.1.1 实验仪器
• 2.1.2 实验药品
• 2.2 钠基蒙脱土的制备及测定
• 2.2.1 钠基蒙脱土的制备
• 2.2.2 蒙脱土阳离子交换量的测定
• 2.3 材料的表征手段
• 2.3.1 傅立叶转换红外线光谱
• 2.3.2 X射线粉末衍射
• 2等温吸附-脱附'>2.3.3 N₂等温吸附-脱附
• 2.3.4 扫描电镜
• 2.3.5 热重-差示热重
• 2.4 酸性大红吸附实验
• 2.4.1 酸性大红溶液最大吸收波长测定
• 2.4.2 酸性大红溶液标准曲线测定
• 2.4.3 酸性大红吸附结果测定
• 2.5 数据处理模型
• 2.5.1 动力学方程
• 2.5.2 吸附等温式模型
• 2.5.3 热力学参数计算公式
• 参考文献
• 第三章 醋酸纤维素/蒙脱土复合材料的制备及吸附性能研究
• 3.1 CTAB改性有机蒙脱土的制备及表征
• 3.1.1 CTAB改性有机蒙脱土的制备
• 3.1.2 CTAB改性有机蒙脱土的表征
• 3.1.3 表面活性剂在蒙脱土层间的排列方式
• 3.2 醋酸纤维素/有机蒙脱土纳米复合材料的制备及表征
• 3.2.1 醋酸纤维素/有机蒙脱土纳米复合材料的制备
• 3.2.2 醋酸纤维素/有机蒙脱土纳米复合材料的表征
• 3.2.3 醋酸纤维素/有机蒙脱土纳米复合材料的组成机理
• 3.3 醋酸纤维素/有机蒙脱土纳米复合材料的吸附性能研究
• 3.3.1 复合材料的组成对吸附的影响
• 3.3.2 吸附液的pH值对吸附的影响
• 3.3.3 吸附液的初始浓度、吸附时间和吸附温度对吸附的影响
• 3.3.4 动力学方程
• 3.3.5 复合材料的吸附等温线
• 3.3.6 复合材料的热力学参数
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 端面连接蒙脱土杂化材料的制备及性能研究
• 4.1 TEOS改性蒙脱土的制备及表征
• 4.1.1 TEOS改性蒙脱土的制备
• 4.1.2 TEOS改性蒙脱土的表征
• 4.1.3 TEOS改性蒙脱土的形成机理
• 4.2 1,6-双三甲氧基硅基己烷改性蒙脱土的制备及表征
• 4.2.1 1,6-双三甲氧基硅基己烷改性蒙脱土的制备
• 4.2.2 1,6-双三甲氧基硅基己烷改性蒙脱土的表征
• 4.2.3 1,6-双三甲氧基硅基己烷改性蒙脱土的形成机理
• 4.3 吸附性能研究
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 攻读硕士学位期间论文发表情况
• 致谢