SiO2-ZrO2复合气凝胶的常压干燥制备及吸附性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:caojun510
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随着纺织业和印染工业的发展,有机染料的排放引起了广泛的关注。有机染料具有潜在的毒性以及生物累积性,而且具有颜色深、组分复杂、难降解、排放量大、分布面广等特点,给生态环境、水生生物以及人类都带来了严重的危害,因此从废水中去除有机染料是非常有意义的。本研究选择高比表面积、高孔体积的SiO2-ZrO2复合气凝胶,通过吸附作用将有机染料从水溶液中移除,以达到净化污水的目的。本研究通过溶胶-凝胶法在常压干燥的条件下制备出SiO2-ZrO2复合气凝胶,采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、热分析(DTA/DSC)、N2吸附脱附测试等方法,分析了Si/Zr摩尔比、聚乙二醇-400添加量、热处理等条件对气凝胶制备或者结构的影响。研究了溶液pH值、气凝胶添加量、吸附时间、染料初始浓度等吸附条件对气凝胶吸附罗丹明B和亚甲基蓝的影响。采用准一级动力学方程、准二级动力学方程、Elovich方程以及Webber-Morris动力学模型对吸附动力学进行了分析。采用Langmuir和Freundlich两种等温线模型对吸附等温线进行了拟合。并且对吸附热力学进行了研究。经过优化的SiO2-ZrO2复合气凝胶制备工艺如下:醇水体积比为3:1,硝酸氧锆在醇水溶液中浓度为0.1mol/L,正硅酸乙酯在醇水溶液中浓度为0.3mol/L,前驱体(硝酸氧锆和正硅酸乙酯共同作为前驱体):甲酰胺:环氧丙烷摩尔比为1:1:6,聚乙二醇-400在醇水溶液中浓度为15 ml/L,干燥温度为60℃。制备出的SiO2-ZrO2复合气凝胶为非晶态,其BET比表面积为336.8m2/g,孔体积为0.74cm3/g,是一种典型的多孔材料。经过600℃热处理,气凝胶仍然保持非晶态结构,同时由于去除了气凝胶中残留的有机物,使得气凝胶孔体积增加到1.16cm3/g,BET比表面积增大至525.6m2/g。吸附热力学研究表明SiO2-ZrO2复合气凝胶对罗丹明B和亚甲基蓝的吸附可以自发进行,这是一个熵减放热过程,升高温度不利于吸附。吸附动力学研究表明SiO2-ZrO2复合气凝胶对罗丹明B和亚甲基蓝的吸附主要依靠物理吸附;室温下其吸附速率主要受表面扩散和粒子内扩散两个过程的控制,由未被占据的吸附位点的数目的平方值决定。吸附速率较快,在30-50min达到吸附平衡。溶液pH≤4时有利于气凝胶对罗丹明B的吸附,pH>5时有利于气凝胶对亚甲基蓝的吸附。气凝胶对两种染料的吸附等温线都比较符合Langmuir吸附等温线模型,说明气凝胶表面均匀且对两种染料的吸附都是单分子层吸附,对罗丹明B和亚甲基蓝的最大吸附量分别为177.7和63.13mg/g。有望作为一种吸附剂应用于印染废水的处理。
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