磁性碳微球的制备及在Se(IV)、Cr(Ⅵ)废水处理中的应用基础研究

摘要

近年来，使用碳微球作为载体的复合材料处理水中污染物的研究越来越受到关注。碳微球表面具有丰富的有机基团，如羧基、羟基等。这些基团能很好地与金属离子结合，从而为去除废水中重金属离子提供了可能性。同时，碳微球有高的化学和结构稳定性、大的比表面积等特点，这些特点使其成为一种理想的载体。然而，碳微球具有自身尺寸较小、密度与水相近的特点，使其在水中难以与水分离，限制了其在水处理中的应用。在处理重金属废水方面，有不少研究发现，铁氧化物能有效去除废水中的重金属离子。与其他铁氧化物相比，四氧化三铁不仅能去除废水中的重金属离子，还具有超顺磁性和还原性的特点，因此，在磁场的作用下，四氧化三铁能与水分离并且可以使重金属离子还原成难溶于水的零价金属，从而去除废水中的重金属。然而，四氧化三铁容易发生团聚，特别是纳米级四氧化三铁，团聚问题尤为严重。通过使四氧化三铁附着于碳微球表面，一方面能使碳微球带有磁性，使之更容易与水分离；另一方面，也能避免四氧化三铁的团聚问题。
　　本研究通过简易的溶剂水热法与共沉淀法合成出碳微球与磁性碳微球，并将其应用于含Se(IV)和Cr(VI)废水的处理中。采用单因素法研究了磁性碳微球处理Se(IV)和Cr(VI)的单体系废水以及Se(IV)-Cr(VI)共存体系废水中的效能。借助扫描电镜能谱仪（SEM-EDS）、透射电镜（TEM）、傅里叶红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、比表面积分析仪（BET）、振动样品磁强计（VSM）、X射线光电子能谱（XPS）等表征技术，分析磁性碳微球复合材料去除Se(IV)和Cr(VI)废水的机理。
　　本研究得出的主要结论如下：
　　（1）溶剂水热法制备的碳微球呈球形颗粒，大小比较均匀，其粒径大小在200nm以下。通过共沉淀法，Fe3O4纳米颗粒能较均匀地分布在碳微球表面。碳微球和磁性碳微球表面都有丰富的含氧官能团，包括-OH、C=O、C=C、C-H、C-OH和COOH。磁性碳微球的吸脱附等温线属于典型的IV型等温线，具有明显的滞后环，属于介孔材料。碳微球和磁性碳微球的孔径大小集中分布在2-13nm和2-18nm。
　　（2）在初始pH的为3.0-11.0的条件下，初始pH越低，磁性碳微球对Se(IV)的去除效果越好。在初始pH为3.0条件下，除磷酸根外，硫酸根、硝酸根、氯离子、碳酸根和硅酸根对磁性碳微球去除Se(IV)效果的影响很小。
　　（3）磁性碳微球去除Se(IV)的过程可以分为两步：第一步，水中的Se(IV)与磁性碳微球表面上的Fe3O4形成内层络合物，从而使水中的Se(IV)转移至磁性碳微球上；第二步，与Fe3O4形成内层络合物的Se(IV)被 Fe(II)还原成不溶于水的Se0并固定于磁性碳微球表面。
　　（4）碳微球与磁性碳微球能有效去除水中的Cr(VI)，并把Cr(VI)还原为低毒性的Cr(III)。碳微球表面有丰富的含氧基团，羧基基团通过氢键作用与Cr(VI)结合，从而使水中Cr(VI)的浓度降低。结合在碳微球表面的Cr(VI)能与碳微球上的C-O基团发生氧化还原作用生成 Cr(III)。在磁性碳微球中，不仅碳微球能对Cr(VI)有去除效果，Fe3O4纳米颗粒也能与Cr(VI)形成外层络合物并把Cr(VI)还原为Cr(III)，进一步提高对Cr(VI)的去除效率。
　　（5）在Se(IV)-Cr(VI)共存体系的废水中，被C-O基团还原生成的Cr(III)能与碳微球上的羧酸基团结合而聚集在碳微球表面。带正电荷的Cr(III)能与带负电荷的Se(IV)形成Cr(III)-Se(IV)络合物，使水中的Se(IV)转移至碳微球表面。因此，Cr(VI)能促进磁性碳微球对Se(IV)的去除。与此同时，磁性碳微球上的Fe3O4与水中的Se(IV)形成内层络合物。与Fe3O4形成络合物的Se(IV)被Fe(II)还原成Se0。

目录

第一章 绪论

1.1 重金属废水

1.2 硒离子与铬离子的去除方法

1.3 碳微球与磁性碳微球

1.4 本研究的研究意义和内容

第二章 磁性碳微球去除Se(IV)废水的研究

2.1 实验试剂、材料

2.2 实验仪器设备

2.3 实验方法

2.4 实验结果与讨论

2.5本章小结

第三章 磁性碳微球同时去除Se(IV)和Cr(VI)废水的研究

3.1 实验试剂、材料

3.2 实验仪器设备

3.3 实验方法

3.4 实验结果与讨论

3.5 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

攻读硕士学位期间获奖情况

声明

致谢