有机酸根插层类水滑石的制备及其吸附硼的研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院青海盐湖研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:qqqq398705749
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我国盐湖镁资源储量丰富,但其利用率较低,开展新型镁基功能材料的应用开发研究,不仅可以夯实镁基材料科学的理论和实验基础,还可为青海盐湖镁资源的综合利用提供新的驱动力。镁基类水滑石(Layered Double Hydroxides,LDHs)作为一种合成简单、性质多样的多功能材料,具有层间阴离子可交换性。传统无机酸根镁基类水滑石对硼的吸附容量较低、选择性较差且吸附后的水滑石无法洗脱再生,通过将多羟基结构的有机酸根插入类水滑石层间,可获得具有较高选择性、在理论上可以实现洗脱和再生的硼吸附剂。本文以没食子酸根(GA)和酒石酸根(TA)为阴离子源,镁离子和铝离子为阳离子源,采用共沉淀法制备了没食子酸根插层类水滑石(GA-LDH)和酒石酸根插层类水滑石(TA-LDH),并将其应用于溶液中硼的吸附。采用X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、元素分析仪、透射电子显微镜(TEM)、热重分析仪(TG/DTA)和接触角测量仪对LDHs的结构、组成和性能进行了表征。利用XRD和硼吸附容量(以硼元素计)表征了不同合成条件下得到的LDHs对硼的吸附性能,并优化了其吸附工艺;对吸附动力学和热力学进行了研究;揭示了溶液中共存离子对LDHs吸附容量的影响;通过结构表征和元素分析探明了LDHs的吸附机理。最后初步探究了LDHs吸附剂的洗脱工艺。主要研究结果如下:(1)采用共沉淀法制备GA-LDH和TA-LDH,通过XRD和FT-IR确定其插层结构,采用元素分析测定了有机酸根的插层含量。基于XRD和吸附容量分析,确定了GA-LDH的较佳合成条件为:陈化温度20℃,Mg:Al摩尔比为2:1,Al:GA摩尔比为1:2;TA-LDH的较佳合成条件为:陈化温度60℃,Mg:Al摩尔比为2:1,Al:TA摩尔比为1:2,溶液初始p H为11。LDHs的吸附优化工艺为:溶液初始p H为8~9,反应时间为3 h。GA-LDH和TA-LDH的吸附容量分别可达10.8 mg·g-1和9 mg·g-1。(2)分别研究了GA-LDH和TA-LDH的吸附动力学和吸附热力学。吸附动力学表明:GA-LDH和TA-LDH吸附B的反应均为化学吸附。吸附热力学表明:GA-LDH对B的吸附更符合Langmuir模型,TA-LDH对B的吸附符合Freundlich模型。(3)溶液中共存离子对GA-LDH和TA-LDH吸附B容量的影响研究。与NO3-LDH相比,溶液中Cl-和Li+的共存对GA-LDH和TA-LDH吸附B的影响不大,而SO42-的存在对其吸附容量的影响较大。(4)通过FT-IR和元素分析研究了NO3-LDH、GA-LDH和TA-LDH对硼的吸附机理。结果表明:NO3-LDH对硼的吸附机理为层间NO3-离子与溶液中B(OH)4-的离子交换,而GA-LDH和TA-LDH对硼的吸附则分别是通过层间阴离子GA和TA中的羟基与B(OH)3、B(OH)4-之间的络合作用实现。(5)基于本文中LDHs吸附硼的机理,对GA-LDH和TA-LDH的洗脱工艺进行了探索性研究。采用氯化铵溶液作为洗脱剂时,GA-LDH和TA-LDH的洗脱率均大于70%。洗脱后GA-LDH失去对硼的吸附能力,而TA-LDH在循环5次后依旧保持较好的吸附能力,其Mg2+的单次吸附溶损率为1.5%,单次洗脱溶损率为5.4%。总体而言,本文对两种有机酸根插层类水滑石合成条件的优化、以及对溶液中硼的吸附条件、吸附机理和洗脱性能的研究,不仅为LDHs硼吸附剂的合成和高效分离提取溶液中硼奠定了理论研究基础,也为拓宽镁基材料的应用范围提供了新的思路和方法。
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