吸附—化学催化去除水中ClO4-的研究

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ClO4-对人体的危害极其严重且在水环境中污染越来越普遍。水滑石材料是一种天然存在又能人工合成的无机材料,因其特殊的层板结构和记忆效应而对水中阴离子有较好的选择性,常被用作吸附材料和催化剂载体。但是,水滑石材料应用于饮用水中ClO4-的去除时存在有诸多限制:常见镁铝水滑石材料中铝元素对人体具有神经毒素作用;粉末态材料在反应完成之后极难从溶液体系中去除;单纯吸附并不能将ClO4-彻底去除。针对上述问题本文展开以下研究:(1)以Mg/Fe作为金属阳离子,以CO32-作为层间阴离子通过共沉淀法合成了Mg/Fe基水滑石材料(Mg/Fe-HT),并将其煅烧产物(Mg/Fe-CHT)用于吸附去除水中ClO4-。Fe元素代替了传统的三价Al从而避免了在处理过程中造成水溶液二次污染的问题。傅里叶变换红外(FT-IR)、X射线粉末衍射(XRD)及扫描电子显微镜(SEM)结果证明,Mg/Fe-HT具备有与水滑石材料相同的官能团特征和晶型结构。Mg/Fe-CHT能够吸附去除水中ClO4-,其吸附动力学过程符合二级动力学模型,在35°C时,其平衡吸附容量可达到29.83mg/g;吸附等温线过程符合Langmuir模型,在35°C时,最大吸附容量可达到144.22mg/g。热力学分析证明该吸附过程可以自发进行,温度的升高可以促进吸附反应的进行。(2)采用共沉淀法将磁性基质引入水滑石基体,制备磁性水滑石(M-CHT),通过磁分离装置在吸附完成之后从水溶液中取出。FT-IR和XRD表征证实引入磁性基质后,并未对材料的基本性能产生影响,材料的官能团及结构等性质依然与水滑石材料相一致;X射线光电子能谱(XPS)和振动样品磁强计(VSM)结果证明M-CHT具备有磁性,磁性强度可达到5.93emu/g。非线性拟合结果表明,M-CHT吸附水中ClO4-的动力学过程遵循二级动力学模型,受化学吸附机理的控制,在35°C时,平衡吸附容量可达到13.09mg/g;吸附等温线过程符合Langmuir模型,在35°C时,最大吸附容量可达到110.89mg/g。热力学分析结果表明,M-CHT吸附水中ClO4-的过程属于吸热反应,并且能够自发进行。(3)以Pd作为催化金属,Co作为辅助金属通过共沉淀法合成二元金属负载的水滑石催化剂(Pd/Co-CHT),使材料同时具备吸附能力和催化能力。FT-IR和XRD结果表明,催化剂拥有和水滑石材料相同典型的官能团和结构,且Pd/Co-CHT对ClO4-的催化氢还原是吸附和催化反应的串联过程;XPS分析结果显示,Pd/Co-CHT上的Pd元素显示零价态,Co元素表现为氧化态(+2,+3)。其吸附动力学过程遵循二级动力学模型,在35°C时,平衡吸附容量可达到26.56mg/g;吸附等温线过程符合Langmuir方程,在35°C时,最大吸附容量为87.13mg/g。Pd/Co-CHT催化氢还原反应可有效去除水中ClO4-,在25°C(投加量为1g/L)时,120min内催化去除率可达到36.39%,是相同条件下单纯吸附去除率的3倍;增加催化剂投加量可显著提高催化去除效果,当投加量为3g/L时,相同条件下催化去除率可达到79.22%。
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