膨润土颗粒材料的制备及其对染料的吸附研究

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膨润土是我国储量丰富的一种粘土矿物,其主要成分为蒙脱石。因其特殊的层状结构和良好的阳离子交换性能,被广泛应用于废水处理。然而粉末状膨润土具有很好的吸水膨胀性和分散悬浮性,使得膨润土在水溶液中容易形成泥浆,很难达到固液分离,造成二次污染,这限制了它在废水处理中的应用。本文以浙江安吉县钠基膨润土为原料,采用不同的方法进行成型制备研究,探讨其最佳制备工艺。借助FT-IR、XRD、TGA-DTA、SEM和BET等分析检测手段对制备的样品进行结构表征和性能分析,并对制得的吸附剂颗粒吸附废水中染料的影响因素和吸附机理进行了系统研究,确定了最佳吸附条件。本论文主要成果如下:(1)本文分别采用挤出-滚圆法和溶胶凝胶法制得了三种膨润土基吸附剂颗粒。膨润土颗粒(G1)的最佳制备工艺条件为:Na2CO3含量5%,焙烧温度500°C,焙烧时间50 min;膨润土复合颗粒(G2)的最佳制备工艺条件为:膨润土/粉煤灰配比为8:2,Na2CO3含量3%,焙烧温度为500°C,焙烧时间为40 min;膨润土/粉煤灰复合颗粒(G3)最佳制备条件:海藻酸钠质量分数为1%,CaCl2质量分数为3%,膨润土/粉煤灰的比例为10/10。(2)利用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)改性膨润土,制得了有机膨润土(P-OBT),XRD衍射图显示随着CTAB含量的增加,改性土的d001峰向小角度偏移越大,当CTAB含量增加到27.7%时,有机膨润土相应的层间间距(d001值)增加到2.31 nm,在红外光谱图中可以观察到改性后的膨润土有-CH2和-CH3特征峰出现,综上说明阳离子表面活性剂(CTAB)改性效果明显。采用溶胶凝胶法对P-OBT进行成型造粒得到稳定性良好的球形颗粒(G4)。(3)讨论了这几种膨润土基吸附材料对染料的去除效果。G1对50 mg·L-1的亚甲基蓝(MB)去除率达到68.8%,吸附量为1.86 mg·g-1;G2对50 mg·L-1的MB去除率达到93.86%,吸附量2.35mg·g-1;G3对100 mg·L-1的MB去除率达到98.71%,吸附量为32.38 mg·g-1;G4对100 mg·L-1的MB去除率达到92.12%,吸附量为59.55 mg·g-1,对100 mg·L-1的RhB去除率达到81.25%,吸附量为11.52mg·g-1。(4)分析了吸附过程的吸附等温线,结果表明:G2对MB的吸附很好地符合了Langmuir等温模型,说明G2吸附MB的过程中涉及到化学反应;G3对MB的吸附很好地符合了Freundlich等温模型,说明吸附剂非均相表面对MB的吸附涉及到多层吸附;G4对MB的吸附很好地符合了Langmuir等温模型,G4对RhB的吸附过程更符合Freundlich等温模型。(5)分析了吸附过程的热力学参数,结果表明:G2对MB的吸附过程为自发吸热过程,其中ΔH?值为1.247 kJ·mol-1大于零,说明升温有利于吸附。ΔS?大于零,说明吸附过程中,整个体系的混乱度增加;G3对MB的吸附过程为自发吸热过程,体系混乱度增加;G4对MB的吸附过程为自发过程,ΔH?为负值,说明吸附过程伴随着放热。ΔS?小于零,说明吸附过程中,整个体系混乱度减少;G4对RhB的吸附过程中,当温度为298 k时,ΔG?大于零,说明吸附不能自发进行,需要外加能量促使反应的进行。随着温度升高ΔG?小于零,说明升高温度有利于吸附的进行。ΔH?为正值,说明该吸附是一个吸热过程。(6)分析了吸附过程的动力学,结果表明:G2、G3和G4对MB的吸附行为和G4对RhB的吸附行为均符合拟二级动力学模型,结合XRD、红外分析和热力学分析,证明其吸附过程是物理吸附、化学吸附和离子交换的共同结果。(7)以乙醇作为解吸剂进行解吸实验,在5次连续吸附-解吸后,G3对MB的去除率仍可以达到65.5%。说明该吸附剂颗粒具有良好的循环利用性能。
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