磁性沸石的制備及其對水中鎳的吸附.pdf

1、吸附法是一種綠色、簡單、高效的廢水處理方法，近年來，針對廢水中鎳離子的去除多種新型吸附劑被開發(fā)出來，其中，基于磁性分離技術(shù)的磁性吸附劑具有在外加磁場中能夠快速分離的優(yōu)點而被廣泛關(guān)注。
　　本文采用后修飾法和原位合成法對常用吸附劑沸石進(jìn)行磁性功能化，制備了四種磁性沸石，對吸附材料的表征、水中鎳離子的吸附性能、吸附劑再生及穩(wěn)定性能、材料制備原理和吸附機(jī)理等進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。主要研究內(nèi)容和結(jié)果歸納如下：
　?。?）采用化學(xué)沉積

2、法磁性修飾人造沸石（60~80目），將沸石加入到化學(xué)共沉淀法制備磁性Fe3O4的體系中，在聚丙烯酰胺的粘合作用下合成磁性沸石FZP。SEM照片顯示FZP完全被Fe3O4粒子包覆，而且Fe3O4粒子均勻地分布在沸石表面，聚集形成籠狀結(jié)構(gòu)，粒徑分布相對較寬，形狀也不規(guī)則，表面呈絮狀、多孔、疏松結(jié)構(gòu)。得到的FTIR譜圖峰位置主要包括典型的Fe-O鍵伸縮振動特征吸收峰、沸石骨架振動譜峰和所帶晶格水及表面羥基等特征峰，說明已成功將Fe3O4負(fù)載到

3、人造沸石的表面，形成磁性沸石。XRD衍射圖譜顯示FZP具有較為理想的人造沸石和Fe3O4晶型結(jié)構(gòu)，樣品平均晶粒尺寸為36.7 nm。VSM測試得到的磁滯回線圖顯示FZP具有超順磁性，飽和磁化強(qiáng)度為6.6844 emu/g，剩余磁化強(qiáng)度為0.0911 emu/g，矯頑力為5.229 G。多點BET測得FZP的比表面積為4.749 m2/g，BJH氮?dú)馕矫摳椒ǖ玫紽ZP總孔體積為0.004085 cm3/g，平均孔徑為34.41nm。將該

4、磁性吸附劑應(yīng)用于對水溶液中鎳的吸附，研究了pH、溫度、時間、鎳溶液質(zhì)量濃度、吸附劑投加量對吸附性能的影響。結(jié)果表明：FZP吸附水中鎳的投加量為0.8g/L、pH=7、t=6 h、T=298 K時，Langmuir單層飽和吸附量為70.06 mg/L；計算出的熱力學(xué)參數(shù)[ΔGθ=-19.81 KJ/mol、ΔHθ=-24.57 KJ/mol、ΔSθ=-92.23 J/(mol·K)]說明該吸附反應(yīng)是低溫有利自發(fā)的放熱過程；對初始濃度為20

5、 mg/L的含鎳廢水，F(xiàn)ZP投加量為1.2 g/L時鎳的出水濃度低于1.0 mg/L，滿足國家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)。
　?。?）采用戊二醛交聯(lián)法，以廉價磁種紅土和人造沸石（100目）為原料，成功制備出磁性沸石RAG。SEM照片顯示RAG粒徑分布較不均勻，表面粗糙，顆粒形狀多為球形，大小不一，RAG中紅土的形貌基本不變，沸石的晶型明顯，與紅土形成緊密的復(fù)合體。RAG的紅外圖譜表現(xiàn)出人造沸石的骨架特征振動峰。XRD表征結(jié)果說明RAG的主晶

6、相為γ-Fe2O3，平均晶粒尺寸為36.7 nm。表明紅土成功地被交聯(lián)的人造沸石所包覆，合成的RAG保持了紅土和人造沸石的結(jié)構(gòu)和特性。VSM測得RAG的飽和磁化強(qiáng)度為32.156 emu/g，剩余磁化強(qiáng)度為2.1986 emu/g，矯頑力為104.52 G。BET比表面積和BJH孔徑分布分析得出RAG的比表面積為41.79 m2/g，總孔體積為0.00962 cm3/g，平均孔徑為9.208 nm。靜態(tài)吸附實驗表明：RAG吸附鎳在pH＝

7、7時3 h達(dá)到吸附平衡，吸附劑投加量為2.0 g/L，298 K時最大吸附量為23.27 mg/g。計算出的熱力學(xué)參數(shù)[ΔGθ=3.26 KJ/mol、ΔHθ=100.33 KJ/mol、ΔSθ=319.38 J/(mol·K)]說明RAG對鎳的吸附是焓增熵增的不自發(fā)吸熱過程。對初始濃度為20 mg/L的含鎳廢水，RAG投加量為8.0 g/L時鎳的出水濃度低于1.0 mg/L，滿足國家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)。
　?。?）以干法加堿-煅燒

8、紅土和粉煤灰得到堿融熟料，再利用水熱法合成磁性沸石RFS。SEM照片顯示RFS粒徑大小相對均勻，且分散度較好，表面呈結(jié)構(gòu)疏散的海綿狀，有很多開放的孔；與原材料相比，RFS的形貌發(fā)生明顯的變化，說明RFS的沸石骨架結(jié)構(gòu)經(jīng)過了進(jìn)一步重整。FTIR譜圖中RFS與NaX型沸石的吸收振動峰十分吻合，且出現(xiàn)了γ-Fe2O3的紅外特征峰，說明合成了NaX型磁性沸石。RFS的XRD衍射譜圖中，除了紅土γ-Fe2O3主晶相的特征峰外，衍射特征峰與標(biāo)準(zhǔn)Na

9、X型沸石的圖譜一致，可以判定其主要晶質(zhì)成分是NaX型沸石，平均晶粒尺寸為21.7 nm。VSM測得RFS的飽和磁化強(qiáng)度為12.986 emu/g，剩余磁化強(qiáng)度為1.5395 emu/g，矯頑力為166.57 G。BET比表面積和BJH孔徑分布分析得出RFS的比表面積為70.89 m2/g，總孔體積為0.1028 cm3/g，平均孔徑為5.800 nm。RFS吸附水中鎳的最佳實驗條件為：投加量為1.2g/L、pH=7、t=6 h，T=29

10、8 K時，Langmuir單層飽和吸附量為66.27mg/L。計算出的熱力學(xué)參數(shù)[ΔGθ=-29.54 KJ/mol、ΔHθ=95.83 KJ/mol、ΔSθ=409.56 J/(mol·K)]說明該吸附反應(yīng)是高溫有利自發(fā)的吸熱過程。對初始濃度為20 mg/L的含鎳廢水，RFS投加量為1.0g/L時鎳的出水濃度低于1.0 mg/L，滿足國家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)。
　?。?）粉煤灰經(jīng)過酸洗除雜，與水洗紅土經(jīng)過戊二醛的交聯(lián)作用生成磁性粉煤

11、灰，再用堿溶液進(jìn)行處理，加入NaAlO2調(diào)節(jié)硅鋁比，經(jīng)過水熱晶化反應(yīng)，合成磁性沸石MAZ。SEM照片顯示MAZ粒徑大小比較均一且分散均勻，表面出現(xiàn)明顯的晶體顆粒，顆粒邊緣可見清晰的晶格條紋，還有大量較小粒徑的球形晶體粒子。說明沸石顆粒形成并具有良好的結(jié)晶程度。MAZ的紅外譜圖中出現(xiàn)了NaA型沸石和γ-Fe2O3的紅外特征峰，推斷紅土在 MAZ的制備過程中已與沸石基體形成價鍵，共同形成了NaA型磁性沸石。MAZ的XRD衍射特征峰與標(biāo)準(zhǔn)Na

12、A型沸石的圖譜一致，說明合成的磁性沸石具有NaA型沸石的晶體結(jié)構(gòu)，且各個制備過程未對γ-Fe2O3的晶體結(jié)構(gòu)造成破壞，MAZ的平均晶粒尺寸為30.4 nm。VSM測得 MAZ的飽和磁化強(qiáng)度為16.56 emu/g，剩余磁化強(qiáng)度為1.2382 emu/g，矯頑力為198.43 G。BET比表面積和BJH孔徑分布分析得出MAZ的比表面積為71.21 m2/g，總孔體積為1.005 cm3/g，平均孔徑為5.644 nm。MAZ對溶液中鎳的吸

13、附實驗結(jié)果表明：在pH＝7時3 h達(dá)到吸附平衡，吸附劑投加量為1.2 g/L，298 K時最大吸附量為63.32 mg/g。計算出的熱力學(xué)參數(shù)[ΔGθ=-0.190 KJ/mol、ΔHθ=-0.437 KJ/mol、ΔSθ=-0.841 J/(mol·K)]說明MAZ對鎳的吸附是低溫有利自發(fā)的放熱過程。對初始濃度為20 mg/L的含鎳廢水，MAZ投加量為1.8g/L時鎳的出水濃度低于1.0 mg/L，滿足國家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)。