氧化鈰及其磁性納米復(fù)合材料對(duì)水中磷酸鹽吸附性能的研究.pdf

1、在過(guò)去的數(shù)十年中，水體富營(yíng)養(yǎng)化已經(jīng)成為許多天然水體最為嚴(yán)峻的水污染問(wèn)題，而造成這種現(xiàn)象的主要原因是大量的磷酸鹽隨著市政污水或工業(yè)廢水的排放而進(jìn)入水體。因此，在廢水排放之前進(jìn)行必要的除磷處理，對(duì)于防治水體富營(yíng)養(yǎng)化非常重要。在常用的廢水除磷技術(shù)中，吸附法由于具有工藝簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、成本低廉以及適用范圍廣的特點(diǎn)而被證明是最為有效的除磷方法之一。在各種類型的吸附材料中，氧化鈰作為一種來(lái)源廣、價(jià)格低的稀土金屬氧化物，以其良好的酸堿抗性、較高的比表

2、面積和優(yōu)異的吸附能力被廣泛應(yīng)用于吸附水中多種有害陰離子如氟化物、砷酸鹽和重鉻酸鹽。然而，目前有關(guān)氧化鈰在吸附除磷上的研究及應(yīng)用十分有限，限制了氧化鈰在防治水體富營(yíng)養(yǎng)化上發(fā)揮潛在的作用和功效。本文以氧化鈰為研究對(duì)象，合成了兩種以氧化鈰為基礎(chǔ)的吸附材料，系統(tǒng)研究了氧化鈰對(duì)水中磷酸鹽的吸附性能以及吸附機(jī)制，同時(shí)解決了氧化鈰納米粉體固液分離困難的技術(shù)問(wèn)題，希望能為廢水中磷酸鹽的深度凈化提供一種新的材料和新的思路。
　　首先，本文采用簡(jiǎn)單的

3、沉淀法，以氯化亞鈰為無(wú)機(jī)鈰源，CTAB為表面活性劑合成了一種新型的納米氧化鈰吸附材料。然后分別采用X射線粉末衍射儀（XRD）、透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）以及氮?dú)馕锢砦絻x對(duì)吸附材料的物相晶型、微觀形態(tài)以及孔隙結(jié)構(gòu)等物理性質(zhì)進(jìn)行了表征，并通過(guò)批次吸附實(shí)驗(yàn)充分研究了納米氧化鈰對(duì)磷酸鹽的吸附性能。表征結(jié)果顯示，納米氧化鈰吸附材料是由粒徑約為3～6nm的氧化鈰納米顆粒組成的，擁有較高的 BET比表面積（236.75m2/

4、g）以及大量孔徑約為2.5nm的介孔。而吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米氧化鈰吸附材料具有較快的磷酸鹽吸附速率，對(duì)磷酸鹽的吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)能夠用偽二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型很好的擬合，吸附等溫線數(shù)據(jù)則可以用Langmuir等溫吸附模型較好的描述，其對(duì)磷酸鹽的最大吸附容量可以達(dá)到83.64mg/g；此外，納米氧化鈰吸附材料對(duì)磷酸鹽的吸附屬于pH依賴型吸附，溶液pH值的升高會(huì)導(dǎo)致磷酸鹽去除率的降低，而離子強(qiáng)度的增加則會(huì)略微促進(jìn)磷酸鹽的吸附；溶液中共存的 Cl-

5、和 SO42-可以增強(qiáng)磷酸鹽在納米氧化鈰吸附材料上的吸附效果，而 HCO3-則會(huì)在一定程度上抑制磷酸鹽的吸附；解吸實(shí)驗(yàn)表明使用0.5mol/L的 NaOH溶液能夠使吸附飽和的納米氧化鈰吸附材料有效脫附再生；而Zeta電位和傅里葉紅外光譜（FTIR）的分析結(jié)果表明磷酸鹽在氧化鈰上的主要吸附機(jī)制為靜電吸引作用以及磷酸根離子對(duì)氧化鈰表面羥基的替換。
　　其次，本文針對(duì)納米氧化鈰吸附材料固液分離困難的問(wèn)題，采用沉積的方法將氧化鈰負(fù)載到Fe

6、3O4@SiO2磁性納米顆粒的表面，合成了一種新型的磁性納米復(fù)合吸附材料 Fe3O4@SiO2@CeO2。并采用 X射線粉末衍射儀（XRD）、透射電子顯微鏡（TEM）、氮?dú)馕锢砦絻x以及振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）對(duì)磁性復(fù)合材料的組成、結(jié)構(gòu)、孔隙度以及磁性能進(jìn)行了表征，同時(shí)通過(guò)批次吸附實(shí)驗(yàn)考察了磁性復(fù)合材料對(duì)磷酸鹽的吸附性能。各種表征手段證明，氧化鈰被成功地負(fù)載到了 Fe3O4@SiO2磁性納米顆粒的表面，而Fe3O4@SiO2@CeO2磁

7、性納米復(fù)合材料具有典型的核殼結(jié)構(gòu)、相對(duì)較大的BET比表面積（194.86m2/g）、大量孔徑約為2.6nm的介孔以及良好的磁性能，能夠在外加磁場(chǎng)的作用下在30s內(nèi)從水中快速分離。而吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)e3O4@SiO2@CeO2磁性納米復(fù)合材料仍然具有較為優(yōu)異的磷酸鹽吸附能力，對(duì)水中磷酸鹽的吸附動(dòng)力學(xué)同樣符合偽二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型，而吸附等溫線也能夠用Langmuir等溫吸附模型很好的擬合，其對(duì)磷酸鹽的最大吸附量能夠達(dá)到64.07mg/g

8、；此外，磁性復(fù)合吸附劑對(duì)磷酸鹽的吸附率也會(huì)隨著溶液pH值的升高而不斷減小，而提高溶液的離子強(qiáng)度則會(huì)稍微增強(qiáng)磷酸鹽的吸附效果；溶液中Cl-和SO42-濃度的增加均能提升磁性復(fù)合吸附劑對(duì)磷酸鹽的去除率，而高濃度的 HCO3-則會(huì)抑制磷酸鹽的吸附；吸附-脫附循環(huán)實(shí)驗(yàn)表明 Fe3O4@SiO2@CeO2磁性納米復(fù)合材料具有卓越的再生能力和重復(fù)使用性；而 Zeta電位和 FTIR的測(cè)試結(jié)果再次證明磷酸鹽在氧化鈰表面的主要吸附機(jī)制既包括靜電吸引作用