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蒙脱石结构特性及对重金属离子吸附解吸性能研究
黎艳
学位类型博士
导师王晓军
2013-06-01
学位授予单位中国科学院大学
学位授予地点北京
学位专业无机化学
关键词蒙脱石 结构特性 吸附-解吸机理 Nacl 重金属离子
其他摘要

高的层间阳离子含量及其优良的可交换性,使蒙脱石在环境污染控制领域具有广阔的应用前景。本文以碱金属和碱土金属系列元素为交换剂,系统研究与天然钠基/钙基蒙脱石交换改性后,蒙脱石层间阳离子组成和量的变化。通过传统化学分析测试手段和现代仪器分析技术相结合,对改性后蒙脱石层间距、结构形貌、热稳定性、膨胀性等理化性能测试和表征,揭示阳离子属性对交换机制的影响,确定可逆交换的最佳条件,从而提出一套吸附-解吸模式用于蒙脱石处理重金属废水。论文选用工业废水中最为常见的三种重金属Cd(II)Pb(II)Cu(II)为研究对象,考察蒙脱石对这三种重金属离子吸附-解吸的条件,确定了吸附-解吸的最佳工艺参数;研究吸附-解吸过程的热力学和动力学性质,揭示吸附-解吸过程中蒙脱石负电结构与系统阳离子的作用机理;测试蒙脱石吸附-解吸Cd(II)Pb(II)Cu(II)三种重金属离子的循环使用效果以及解吸液NaCl 循环利用的解吸能力,验证蒙脱石吸附-解吸模式和解吸液循环利用的可行性;探索性研究蒙脱石及解吸液循环利用一体化工艺,为这种经济-节约-友好的循环利用模式用于大规模处理工业废水奠定技术基础。论文研究的主要内容和结果如下:

1. 系统研究钠/钙基蒙脱石与碱金属、碱土金属亲和作用及改性后结构特性

相同条件下以碱金属中锂、钠、钾、铷、铯离子和碱土金属中镁、钙、锶、钡离子为交换剂,分别与天然钠基蒙脱石和钙基蒙脱石层间阳离子进行交换改性,并对改性前后蒙脱石层间阳离子组成、含量做出了全面的定性和定量分析。通过差减法计算出外界离子实际参与交换的数量。结果表明:同主族阳离子随着水化能的增加交换量明显提高,同周期不同价态的离子与蒙脱石结合能力随着离子价态的增高而加强。XRD 图谱显示蒙脱石层间距D001 主要受层间阳离子构成的影响,当层间阳离子由低水化能和高价态离子构成时,其D001 值较大,反之亦然。该结论经TG/DSC 分析进一步得到验证。以钠离子为交换改性剂,研究不同初始浓度对钙基蒙脱石层间阳离子的交换情况。结果表明提高交换剂的初始浓度可大大提高系统阳离子进入层间取代层间阳离子的几率。

2. 蒙脱石吸附 Cd(II)Pb(II)Cu(II)最佳条件及热力学、动力学性质

吸附过程中,考察了不同实验条件对吸附效果的影响,确定吸附最佳条件为:蒙脱石用量0.2 g,重金属离子初始浓度约为50 mg/L,用量20 mLpH 值中性偏弱碱性,温度20 ℃为宜,吸附时间约20 min,此条件下Cd(II)Pb(II)Cu(II)吸附去除率超过95 %。通过对吸附过程的热力学和动力学研究,明确了蒙脱石吸附机理。热力学研究表明,D-R 等温模型、Freundlich Langmuir 等温模型对蒙脱石吸附三种重金属离子都有较好的适用性。D-R 等温模型中平均吸附能计算结果,Cd(II)Pb(II)Cu(II)的平均吸附能为16~20 kJ/mol,这表明三种离子的吸附为离子交换型。Langmuir等温模型拟合结果表明吸附为定点单层吸附,也进一步验证蒙脱石在实验浓度范围内为离子交换式吸附。Freundlich 等温模型拟合参数n 值表明,蒙脱石对Cd(II)Pb(II)Cu(II)的吸附为Favorable 吸附。吸附动力学研究表明,准二级动力学方程更适用于描述蒙脱石对三种重金属离子的整个吸附过程(线性相关性达0.9999 以上),计算平衡吸附量与实验得出平衡吸附量相互吻合,说明浓度梯度是控制吸附速率的主要因素。

3. Cd(II)Pb(II)Cu(II)蒙脱石在高浓度NaCl 溶液中的解吸效率和机理

分别研究已吸附 Cd(II)Pb(II)Cu(II)三种重金属离子的蒙脱石在NaCl 溶液中解吸的影响因素和机制。结果表明解吸液的初始浓度和温度是影响解吸率的主要因素。在高浓度NaCl 溶液中,由于强电解质电场的作用,蒙脱石膨胀性丧失,出现絮凝状态,“三维卡片宫”结构迅速瓦解,溶液中钠离子以较高的浓度梯度快速扩散进入层间,取代被吸附的重金属离子。在选择的最优条件下,Cd(II)Cu(II)离子解吸率可达90 %以上,Pb(II)的解吸率达83 %。准二级动力学同样适合于描述蒙脱石对三种重金属离子的的解吸过程。提高系统温度,解吸率有所提高,说明解吸为吸热过程。对吸附解吸前后的蒙脱石样品进行XRDSEM 表征分析,结果印证在高浓度NaCl溶液中,重金属离子解吸的有效性。

4. 蒙脱石、解吸液及二者一体化循环利用效果研究

分别研究了蒙脱石和解吸溶液在独立体系的循环利用效果,以及蒙脱石解吸液循环一体化吸附解吸效果。结果表明蒙脱石再次使用时吸附容量跟解吸溶液离子组成有关。在单纯的NaCl 溶液中解吸后吸附容量有所提高,而在含有重金属离子的NaCl溶液中吸附容量稍有降低。解吸液在重复使用时保持一定的解吸能力,但再次使用因溶液中重金属离子较强的竞争吸附,使得解吸能力有所下降,可通过加入当量的碳酸钠回收重金属后进入循环模式,提高解吸能力。蒙脱石解吸液一体化循环利用效果研究结果表明,在高浓度NaCl 溶液中实施解吸具有较强的可行性,该吸附解吸循环模式为蒙脱石在废水中治理重金属污染奠定良好的基础。

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Interlayer cations of high amount and excellent exchangeability make montmorillonites have great application prospect in environmental treatment. We have studied the constituents and content of interlayer cations of monmrollonites after being exchange with alkaline and alkaline earth ions. The interlayer spacing, morphology, thermostability and swelling capacity of modified montmorillonites have been inverstigated using traditional chemical analysis test methods and modern instrumental analysis techniques. Based on the research of adsorption-desorption property, thermodynamics and knetics of Cd(II), Pb(II) and Cu(II) uptake by montmorillonite and the adsorption-desorption mechanism have been discussed, and the optimum conditions have been obtained. Recycling of montmorillonite and desorption solution were tested respectively in an independent system, which verified the adsorption-desorption model is feasibl. The exploratory research on recycling of montmotillonite and desorption solution in an integrated system make the large-scale use of montmorillonite in wastewater treatment possible. The main contents and results are as follows:1. The affinity of montmorillonite for alkaline and alkaline earth metal ions, and the structure feature of montmorillonite modified by alkaline and alkaline earth metal ionsAlkaline and alkaline earth metal ions exchange with Na-montmorillonites and Ca-montmorillonites have been investigated simultaneously. We have determined the constituents and contents of interlayer cations of samples derivate from Na/Ca-montmoprillonite. Results calculated by subtraction method show that exchangeable ability of ions of the main group incease with the hydration energy and exchangeable ability of ions of the same period incease with the valence. In addition, concentration of ions could improve the exchange ability. XRD combining TG/DSC curves shows the relationship between interlayer spacing and type of cations.

文献类型学位论文
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专题资源化学研究室
作者单位中国科学院新疆理化技术研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
黎艳. 蒙脱石结构特性及对重金属离子吸附解吸性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2013.
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