复合改性海泡石的制备及其对Pb2+的吸附性能研究

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近年来,我国经济持续高速发展,经济增长与环境健康之间的平衡被打破,水、大气及土壤等环境质量持续恶化。水体重金属污染现象频繁发生,严重影响生态文明发展和人体健康,不符合可持续发展战略计划。铅是一种有毒金属,由于环境积累和高迁移率,通常被确定为一种高毒性元素。水体中的铅一般来自电镀、铅酸蓄电池、印刷等企业排放的工业废水。含铅废水的处理技术多种,主要有化学沉淀法、离子交换法、膜分离法等,但这些方法仍存在一些问题,例如二次污染、投入成本高、工艺复杂等。吸附法因操作简单、成本低廉以及吸附剂重复利用高等特点脱颖而出。海泡石是一种价格低廉,储量丰富,有特殊的微纤维结构、高比表面积和离子交换容量、活性吸附中心以及机械稳定性的粘土矿物,具有很强的吸附能力。但天然海泡石纯度较低,实际比表面积偏小,影响吸附性能,同时海泡石吸水性强,其粉末状态难以固液分离,限制了海泡石作为吸附剂的应用,故需要通过一定的物理化学手段对其改性。若能将廉价的海泡石通过磁性四氧化三铁负载,而后对其进行表面修饰,得到多功能复合改性海泡石,从而高效解决水体重金属铅污染问题。本文介绍了两种低成本,易制备,吸附效果好的吸附剂材料的制备以及吸附性能研究。研究结果如下:1.以天然海泡石(SEP)为原料,首先采用共沉淀法对天然海泡石附磁,然后以L-精氨酸(L-Arg)/十二烷基苯磺酸钠(SDBS)作为表面活性剂进行复合修饰,制备复合改性海泡石(L-Arg-MSEP/SDBS-MSEP)。采用单因素实验初步探究了总铁浓度、L-Arg/SDBS添加量、反应温度对其吸附性能的影响,并利用响应曲面法进一步优化了制备条件,实验结果表明,L-Arg-MSEP的最佳制备条件为:总铁浓度为0.28 mg·L-1,L-Arg添加量与总铁量比值为1.10,反应温度为84.22℃;SDBS-MSEP的最佳制备条件为:总铁浓度为0.28 mg·L-1,SDBS添加量为1.17CEC,反应温度为69.15℃。2.利用红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、振动样品磁强计(VSM)、X射线衍射(XRD)及比表面与孔结构分析仪(BET)等对改性前后海泡石结构和特性等方面进行分析。表征结果:两种复合改性海泡石均具有磁性,饱和磁化率为15.53emu·g-1和14.26 emu·g-1;复合改性后的海泡石(L-Arg-MSEP、SDBS-MSEP)海泡石基本构架未发生变化,且被L-Arg和SDBS成功修饰;L-Arg-MSEP表面粗糙,纤维束表面附着了许多Fe3O4颗粒;SDBS-MSEP的线状紧密结构破碎,海泡石表面覆盖一层十二烷基苯磺酸钠;L-Arg-MSEP比表面积略有提高,由原来的32.87 m2·g-1增至40.46m2·g-1,平均孔径有所增大,由原来3.79 nm增至2.92 nm;SDBS-MSEP比表面积略有降低,比表面积虽略有降低,由原来的32.87m2·g-1降至16.84 m2·g-1,但是平均孔径有所增大,由原来3.79nm增至5.75nm。这些表征结果说明复合改性有效提高了海泡石的吸附性能。3.Pb2+初始浓度为200 mg·L-1,L-Arg-MSEP、SDBS-MSEP和SEP的投加量分别为2 g·L-1,6 g·L-1,2 g·L-1,初始pH=5.0,吸附时间为2 h,体系温度T=30℃的条件下,去除率依次为99.95%、92.82%、64.35%;吸附量依次为104.84mg?g-1、97.35 mg?g-1、67.5 mg?g-1,表明复合改性海泡石(L-Arg-MSEP/SDBS-MSEP)对Pb2+吸附能力也远高于天然海泡石(SEP)。三种吸附剂的吸附能力大小为:L-Arg-MSEP?SDBS-MSEP?SEP。4.L-Arg-MSEP、SDBS-MSEP和SEP对Pb2+的吸附过程与准二级动力学方程拟合程度最好,化学吸附占主导地位;Langmuir等温吸附模型更符合三种材料对Pb2+的吸附过程,说明L-Arg-MSEP、SDBS-MSEP和SEP对Pb2+的吸附为单分子层吸附,吸附过程为放热反应,自发进行,自发程度顺序为SDBS-MSEP>L-Arg-MSEP>SEP。5.通过对吸附试验前后的复合改性海泡石(SDBS-MSEP/L-Arg-MSEP)进行红外光谱分析,表明两种复合改性海泡石对Pb2+的吸附过程均是以化学吸附为主,物理吸附等为辅的综合作用的结果。
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