基于稻壳灰化物制备的介孔硅复合四氧化三铁——对复合染料和砷的吸附行为和机理研究

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随着工业革新进步和人口剧增,重工业、轻工业、农业及纺织业废水色度变深,污染物含量增多且处理困难。面对日益严峻的水资源污染问题,吸附处理因其操作简单、可行性强、处理效果好等优点成为当下水处理工作者的研究热点。农副产品因其价格低廉、易于获取等优点,成为开发环境友好、经济高效吸附剂的研究热点。中国作为世界上最大的水稻生产国,稻壳含量丰富。然而天然稻壳吸附量低、可重复利用性差,严重限制了其在水处理领域的利用。在本文中,提出一种基于稻壳提取的二氧化硅(RH@Si O2)为硅源制备两种稻壳介孔硅(RH@MCM-41、RH@SBA-15),为了进一步提升吸附表现,以RH@MCM-41、RH@SBA-15为模板制备了两种硅掺杂的介孔四氧化三铁(SR-Fe3O4、CL@Fe3O4)。此外,SR-Fe3O4和CL@Fe3O4还提高了吸附的稳定性和吸附目标范围,以及对目标污染物的选择特性。我们通过红外(FTIR)、扫描电镜(SEM)、投射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)分别对所制备RH@MCM-41、RH@SBA-15、SR-Fe3O4、CL@Fe3O4的四种吸附剂的结构进行表征,通过热力学、动力学、等温线模型和理论研究,并通过吸附目标污染物前后的RH@MCM-41、SR-Fe3O4、CL@Fe3O4的吸附剂的FTIR、XPS光谱对照,对阐明具体的吸附过程做出贡献。最后在二元体系和模拟废水中的吸附表现进行测试,为其在水处理领域的应用奠定基础。本文的主要研究内容和结论如下:(1)以稻壳为硅源RH@Si O2制备RH@MCM-41。SEM结果显示RH@MCM-41呈现颗粒状,TEM结果显示RH@MCM-41具有介孔结构。在p H值11,温度17℃,初始亚甲基蓝(MB)浓度10 mg/L,吸附剂添加量0.2 mg/m L时,MB的去除率最高,为95.1%。MB在RH@MCM-41上的吸附符合二阶动力学(PSO)和粒子内扩散模型(IPD),表明MB吸附是受多阶段控制的化学过程。此外,MB吸附在RH@MCM-41上符合Sips模型,说明吸附是单层(均匀)和多层(不均匀)吸附。热力学结果说明,MB吸附是放热、有序的过程。煅烧循环5次的RH@MCM-41仍有90.2%的去除率。结合红外结果,MB在RH@MCM-41上的吸附是静电、氢键的共同作用。在MB/罗丹明B(MB/RB),MB/甲基橙(MB/MO),MB/酸性品红(MB/AF),MB/二甲酚橙(MB/XO)四个二元体系中,RH@MCM-41对MB表现出良好的选择吸附性能。特别是MB/MO、MB/AF、MB/XO三个二元体系,不仅RH@MCM-41对MB的吸附能力显著增强,而且RH@MCM-41对其它三种染料的吸附能力被桥接作用激发。(2)以RH@MCM-41为模板一步法制备了SR-Fe3O4。SEM结果显示,SR-Fe3O4呈现独特的多层不规则基岩状结构;TEM结果显示,SR-Fe3O4具有介孔孔洞;能量色散X射线光谱仪(EDX)显示,硅掺杂量约为5.02 At%;FTIR、XRD和XPS的结果证明SR-Fe3O4的成功制备。在总铁盐,即六水氯化铁Fe Cl3·6H2O和七水硫酸亚铁Fe SO4·7H2O比例为2:1,RH@MCM-41与总铁比例为1:1时,SR-Fe3O4具有最好的As(Ⅲ)吸附表现。在p H值8,吸附剂添加量0.2 mg/m L,初始As(Ⅲ)浓度为100 mg/m L,37℃,230 rpm条件下,As(Ⅲ)吸附能力最高,为422.20 mg/g,高于大多数以报道的As(Ⅲ)吸附剂。As(Ⅲ)在SR-Fe3O4上的吸附符合二阶动力学(PSO)和粒子内扩散模型(IPD),表明As(Ⅲ)吸附是受多阶段控制的化学过程。此外,As(Ⅲ)吸附在SR-Fe3O4上符合Sips模型,说明吸附是单层(均匀)和多层(不均匀)吸附。热力学结果说明,As(Ⅲ)吸附是吸热、无序的过程。0.5M HCL处理的SR-Fe3O4循环4次的吸附量88.42 mg/g,仍高于多数以报道的As(Ⅲ)吸附材料。吸附前后的XPS、FTIR和p H结果显示,SR-Fe3O4对As(Ⅲ)的吸附是羟基和Fe-O键的共同作用。(3)以稻壳为硅源RH@Si O2制备的RH@SBA-15。并以RH@SBA-15为模板一步法制备了CL@Fe3O4。SEM结果显示,CL@Fe3O4呈现独特的珊瑚石状结构;TEM结果显示,CL@Fe3O4具有介孔孔洞;能量色散X射线光谱仪(EDX)显示,硅掺杂量约为3.84 At%;FTIR、XRD和XPS的结果证明CL@Fe3O4的成功制备。在总铁盐,即六水氯化铁Fe Cl3·6H2O和七水硫酸亚铁Fe SO4·7H2O比例为2:1,RH@SBA-15占总原料质量比50%时,CL@Fe3O4具有最好的MB吸附表现。在p H值11,吸附剂添加量0.2 mg/m L,初始MB浓度为100 mg/m L,40℃条件下,MB吸附能力最高,为162.52 mg/g。MB在CL@Fe3O4上的吸附符合PSO和IPD模型,表明MB吸附是受多阶段控制的化学过程。此外,MB吸附在CL@Fe3O4上符合Sips模型,说明吸附是单层(均匀)和多层(不均匀)吸附。热力学结果说明,MB吸附是吸热、无序的过程。0.5M Na OH处理的CL@Fe3O4循环4次的吸附量109.72 mg/g,仍高于多数以报道的MB吸附材料。吸附前后的XPS、FTIR和p H结果显示,CL@Fe3O4对MB的吸附是静电作用、氢键和络合作用的共同结果。在MB/RB、MB/AF、MB/XO、MB/MO四个二元体系中,CL@Fe3O4对MB表现出良好的选择吸附性能。特别是MB/MO二元体系,不仅CL@Fe3O4对MB的吸附能力显著增强,而且CL@Fe3O4对MO的吸附能力被桥接作用激发。
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