Fe3O4基復(fù)合吸附劑的制備及其去除水中重金屬離子研究.pdf

1、重金屬在水中具有難降解、毒性強(qiáng)、具有積累效應(yīng)等特征，重金屬污染為人類生存和發(fā)展帶來了嚴(yán)重威脅，引起人們的廣泛關(guān)注，已成為備受關(guān)注的重大環(huán)保課題，國(guó)務(wù)院專門出臺(tái)了《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》以防治重金屬污染。本工作制備四氧化三鐵( Fe3O4)基納米復(fù)合材料吸附劑用于水溶液中重金屬離子的去除，通過復(fù)合生物質(zhì)炭、Graphene以及氧化物TiO2等改變其表面形態(tài)，提高其吸附能力。以Cu(II)和Cr(VI)為目標(biāo)污染物，測(cè)試其對(duì)重金

2、屬離子的吸附去除性能。
　　本文采用水熱方法制備了Fe3O4，四氧化三鐵/松球( Fe3O4/Pinecone)，四氧化三鐵/石墨烯( Fe3O4/Graphene)，四氧化三鐵/二氧化鈦（Fe3O4/TiO2），四氧化三鐵/二氧化鈦/石墨烯( Fe3O4/TiO2/Graphene)等吸附劑，探討了不同合成物配比、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間等合成條件對(duì)吸附劑性能的影響，采用X射線衍射( XRD)、掃描電子顯微鏡( SEM)以及比表面積(

3、 BET)對(duì)吸附劑的晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌和比表面積進(jìn)行表征。探究不同實(shí)驗(yàn)條件下吸附劑對(duì)重金屬離子吸附量和去除率的影響，探索吸附劑的動(dòng)力學(xué)過程，采用Langmuir、Freundlich和Temkin模型進(jìn)行模擬吸附過程，探究Fe3O4基復(fù)合吸附劑對(duì)重金屬離子的吸附去除機(jī)理，通過重金屬離子在Fe3O4納米吸附劑的解吸實(shí)驗(yàn)判斷吸附反應(yīng)是否可逆，進(jìn)一步補(bǔ)充吸附去除機(jī)理，吸附劑吸附去除重金屬離子一般經(jīng)過吸附劑表面的表面擴(kuò)散、吸附劑顆粒的內(nèi)部擴(kuò)散，

4、最后在吸附劑表面達(dá)到吸附平衡。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴以FeCl3?6H2O為鐵源，采用水熱法制備立方晶型的Fe3O4納米吸附劑，以Cr(VI)為目標(biāo)污染物，測(cè)試其對(duì)Cr(VI)的吸附去除性能。在水熱溫度為200℃，反應(yīng)時(shí)間為8h的條件下制備得到了圓球狀的納米Fe3O4為最佳吸附劑，在50mg?L-1的Cr(VI)溶液中用Fe3O4納米吸附劑吸附去除重金屬Cr(VI)測(cè)其性能，反應(yīng)時(shí)間3h內(nèi)，Cr(VI)在吸附劑的表面達(dá)到吸附

5、平衡，對(duì)Cr(VI)的去除率為78％，通過BET測(cè)定Fe3O4納米吸附劑比表面積為26.30m2g-1，孔徑為9.26 nm，表明Fe3O4納米吸附劑可在一定程度上能有效吸附Cr(VI)，其最大吸附量為39.5 mg?g-1。吸附熱力學(xué)研究表明Cr(VI)在吸附劑表面的吸附符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附機(jī)制，通過吸附熱力學(xué)模型計(jì)算吸附過程的活化能為34.39 KJ?mol-1，并通過Fe3O4納米吸附劑對(duì)Cr(VI)的解吸實(shí)驗(yàn)，96%的Cr(VI

6、)可以完全脫附，說明吸附解吸過程是可逆的，F(xiàn)e3O4納米吸附劑吸附重金屬Cr(VI)的過程主要為物理吸附。⑵以Graphene和松球制備的生物炭為碳源，生物質(zhì)炭和Graphene分別與Fe3O4納米吸附劑采用水熱法復(fù)合，改變反應(yīng)物不同配比、反應(yīng)溫度以及反應(yīng)時(shí)間等不同反應(yīng)條件制備一系列 Fe3O4/Pinecone和Fe3O4/Graphene復(fù)合納米吸附劑，都以重金屬Cr(VI)為目標(biāo)污染物探究其吸附性能。水熱溫度為200℃，反應(yīng)時(shí)間為

7、8h， Fe3O4與 Pinecone質(zhì)量比為1﹕6的條件下能制備最佳Fe3O4/Pinecone復(fù)合納米吸附劑，而水熱溫度為200℃，反應(yīng)時(shí)間為8h，Graphene的質(zhì)量0.02g為最佳 Fe3O4/Graphene復(fù)合納米吸附劑的制備條件，將Fe3O4/Pinecone和Fe3O4/Graphene復(fù)合納米吸附劑分別用于50mg?L-1 Cr(VI)溶液中吸附去除Cr(VI)測(cè)其吸附性能，反應(yīng)時(shí)間3h內(nèi)，Cr(VI)在吸附劑的表面

8、達(dá)到吸附平衡，F(xiàn)e3O4/Pinecone和Fe3O4/Graphene吸附重金屬Cr(VI)的吸附率分別為79.5%和84.6%，通過BET測(cè)定Fe3O4/Pinecone和Fe3O4/Graphene復(fù)合納米吸附劑比表面積分別為27.86和121.17m2?g-1，最大吸附量分別為62.5 mg?g-1和78.8 mg?g-1，其比表面積的增大提高Fe3O4/Pinecone和Fe3O4/Graphene復(fù)合納米吸附劑與重金屬Cr(

9、VI)的接觸面積，使其吸附率和最大吸附量明顯提高。通過吸附熱力學(xué)模型計(jì)算吸附過程的活化能分別為25.77和34.92 KJ?mol-1。并通過Fe3O4/Pinecone和Fe3O4/Graphene復(fù)合納米吸附劑分別對(duì)Cr(VI)進(jìn)行解吸實(shí)驗(yàn)，分別為92.6%和94%的Cr(VI)可以完全在吸附劑表面脫附，說明吸附解吸過程都是可逆的，F(xiàn)e3O4/Pinecone和Fe3O4/Graphene復(fù)合納米吸附劑吸附重金屬Cr(VI)的過程都

10、主要為物理吸附。Fe3O4/Pinecone和Fe3O4/Graphene復(fù)合納米吸附劑比Fe3O4納米吸附劑吸附Cr(VI)的性能明顯提高，表明Fe3O4納米吸附劑性能得到有效改善。⑶以FeCl3?6H2O為鐵源，鈦酸四丁酯(TBOT)為鈦源，采用水熱法制備Fe3O4/TiO2復(fù)合納米吸附劑，改變反應(yīng)物的量、反應(yīng)溫度以及反應(yīng)時(shí)間等不同反應(yīng)條件制備一系列Fe3O4/TiO2復(fù)合納米材料吸附劑，以Cu(II)為吸附目標(biāo)污染物探究其吸附性能

11、。水熱溫度為200℃，反應(yīng)時(shí)間為24h，0.4g Fe3O4和5mLTBOT為最佳的制備條件，將其用于50mgL-1 Cu(II)溶液中吸附去除Cu(II)測(cè)其性能，反應(yīng)時(shí)間3h內(nèi)，Cu(II)在吸附劑的表面達(dá)到吸附平衡，F(xiàn)e3O4/TiO2納米吸附劑吸附重金屬Cu(II)的吸附率為70%，通過BET測(cè)定Fe3O4/TiO2納米吸附劑的比表面積為32.31m2?g?1，表明Fe3O4/TiO2納米吸附劑可在一定程度上能有效吸附Cu(II

12、)，最大吸附量為58.29 mg?g-1。通過吸附熱力學(xué)模型計(jì)算吸附過程的活化能為37.62 KJ?mol-1。通過Fe3O4/TiO2納米吸附劑對(duì)Cu(II)的解吸實(shí)驗(yàn)，91.4%的Cu(II)可以完全脫附，說明吸附解吸過程是可逆的，F(xiàn)e3O4/TiO2復(fù)合納米吸附劑吸附重金屬Cu(II)的過程主要為物理吸附。⑷以Fe3O4/TiO2為基質(zhì)，采用超聲輔助法水熱法復(fù)合Graphene，改變反應(yīng)物不同配比、反應(yīng)溫度以及反應(yīng)時(shí)間等不同反應(yīng)條

13、件制備一系列Fe3O4/TiO2/Graphene三元復(fù)合納米材料吸附劑，以Cu(II)為吸附目標(biāo)污染物探究其吸附性能。水熱溫度為200℃，反應(yīng)時(shí)間為24h，Graphene的質(zhì)量為0.05g為最佳的制備條件，將其用于50mg?L-1 Cu(II)溶液中吸附去除Cu(II)測(cè)其性能，反應(yīng)時(shí)間3h內(nèi)，Cu(II)在吸附劑的表面達(dá)到吸附平衡，F(xiàn)e3O4/TiO2/Graphene納米吸附劑吸附重金屬 Cu(II)的吸附率為72.8%，通過

14、BET測(cè)定Fe3O4/TiO2/Graphene納米吸附劑的比表面積為422.84 m2?g?1，最大吸附量為67.4 mg?g-1。其比表面積的增加提高Fe3O4/TiO2/Graphene復(fù)合納米吸附劑與重金屬Cu(II)的接觸面積，使其吸附率和最大吸附量明顯提高。通過吸附熱力學(xué)模型計(jì)算吸附過程的活化能為17.32 KJ?mol-1，并通過Fe3O4/TiO2/Graphene納米吸附劑對(duì)Cu(II)的解吸實(shí)驗(yàn)，90.09%的Cu(