粘土矿物胡敏酸复合体对重金属的吸附——解吸机理研究

摘要

本文以胡敏酸(humic acid,HA)为腐殖酸的代表,以高岭土和蒙脱石分别作为1:1和2:1型粘土矿物的代表,通过化学平衡反应制备粘土矿物-胡敏酸复合体,然后研究复合体对重金属离子的吸附解吸行为,以期揭示粘土矿物-胡敏酸复合体吸附重金属离子的机理,为解决环境中的重金属污染问题提供理论依据。论文的主要工作和结论如下： 首先研究发现胡敏酸在蒙脱石和高岭石表面的吸附主要以配位反应为主,同时也受阳离子键桥、疏水性作用和氢键等弱作用力。Zeta电位表明：吸附胡敏酸后,矿物表面负电荷量增加,电荷零点ZPC下降,能促进对金属阳离子的静电吸附。XRD图表明：胡敏酸分子很大,不足以插入粘土矿物的层间。FTIR图表明：羟基峰增强或减弱,说明粘土矿物和胡敏酸发生了化合键合。蒙脱石的羟基弯曲振动吸收峰变窄,表面由亲水性变成疏水性；而高岭石胡敏酸复合体中出现了有机物C-H振动的特征吸收。TG和DTG曲线表明：粘土矿物胡敏酸复合体失重率下降,疏水性增强,失重曲线向低温区偏移,说明胡敏酸影响着粘土脱去结构水和层间水的起始温度。 其次实验研究了蒙脱石-胡敏酸及高岭石-胡敏酸对铜、铬、镉的吸附解吸行为。结果表明：粘土对重金属离子的吸附解吸量都随pH值的升高而增加,但是解吸率则呈下降趋势。离子强度的增加造成吸附量减小。随重金属浓度的增加,粘土对金属离子的吸附解吸量也随之增加,但重金属离子的去除率却减小。当重金属离子的浓度达到一定时,吸附达到饱和,吸附量不再增加。各种粘土对重金属的吸附解吸速度非常快,吸附反应基本在20到30分钟就能达到平衡,解吸反应则基本上在1小时就能达到平衡。吸附等温线用Langmuir方程和Freundlich方程进行拟合,Langmuir方程的拟合效果更好,从qm可得知吸附容量大小排列次序为：蒙脱石-胡敏酸复合体>蒙脱石>高岭石-胡敏酸复合体＞高岭石。蒙脱石-胡敏酸复合体动力学研究表明Elovich方程和双常数方程对各种离子吸附解吸的动力学过程拟合较好；高岭石-胡敏酸复合体动力学研究表明Elovich方程和-级常数方程对各种离子吸附解吸的动力学过程拟合较好。 最后对复合体吸附重金属后进行表征,XRD图谱表明蒙脱石胡敏酸复合体吸附Cu2+、Cd2+、Cr3+后由原土1.56nm分别变为1.63、1.60、1.64nm,与重金属离子与复合体发生离子交换吸附,高岭石胡敏酸复合体吸附重金属离子后层间距变化不显著。红外图谱也表明重金属离子和蒙脱石层间域离子发生交换,而与高岭石表面的-COOH发生了反应。蒙脱石-胡敏酸-Cr的XPS图谱,说明存在Cr,并和复合体上的羟基发生配位反应。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1重金属的来源及危害

1.2重金属的污染现状

1.3本课题研究的目的和意义

1.4技术路线

1.5本课题研究内容

1.6腐殖酸改性吸附重金属的国内外研究进展

第二章粘土矿物和胡敏酸的理论基础及应用现状

2.1粘土矿物的表面物理化学性质

2.1.1结构电荷(永久电荷)

2.1.2表面电荷(可变电荷)

2.2粘土矿物与重金属的作用机理

2.2.1吸附作用

2.2.2表面反应

2.3蒙脱石结构特征及研究现状

2.3.1蒙脱石结构特征

2.3.2蒙脱石吸附重金属离子的现状研究

2.4高岭石结构特征及研究现状

2.4.1高岭石结构特征

2.4.2高岭石吸附重金属离子的现状研究

2.5腐殖酸的结构特征及治理重金属的研究现状

2.5.1腐殖酸的分子结构特点

2.5.2腐殖酸的物理化学性质

2.5.3粘土矿物和腐殖酸的作用机理

2.5.4腐殖酸与重金属作用机理

2.5.5腐殖酸治理重金属的现状

第三章实验材料、设备及研究方法

3.1试验材料

3.1.1粘土矿物

3.1.2胡敏酸

3.2试验的主要设备及试剂

3.3实验表征手段及分析方法

第四章胡敏酸在粘土矿物上的吸附解吸行为

4.1吸附解吸试验方法

4.2 pH对粘土矿物吸附胡敏酸的影响

4.3初始浓度对吸附-解吸的影响

4.4等温吸附特征

4.5等温解吸特征

4.6粘土矿物胡敏酸复合体的表征

4.6.1粘土矿物-胡敏酸的Zeta电位分析

4.6.2粘土矿物的XRD图

4.6.3粘土矿物的红外图谱分析

4.6.4热分析

4.7本章小结

第五章粘土矿物胡敏酸复合体对重金属的吸附-解吸研究

5.1粘土矿物-胡敏酸复合体的制备

5.2复合体的吸附解吸实验方法

5.3蒙脱石-胡敏酸复合体对重金属离子的吸附解吸研究

5.3.1最佳胡敏酸添加量的确定

5.3.2 pH对吸附解吸的影响

5.3.3离子浓度对吸附性能的影响

5.3.4初始浓度对吸附解吸的影响

5.3.5振荡时间t对吸附解吸的影响

5.4高岭石-胡敏酸复合体对重金属离子的吸附解吸研究

5.4.1最佳胡敏酸添加量的确定

5.4.2 pH对吸附解吸的影响

5.4.3初始浓度对吸附解吸的影响

5.4.4离子浓度对吸附性能的影响

5.4.5振荡时间t

5.5本章小结

第六章粘土矿物胡敏酸复合体的吸附解吸机理研究

6.1吸附解吸机理研究

6.1.1吸附等温式

6.1.2蒙脱石-胡敏酸复合体的吸附解吸机理

6.1.3高岭石-胡敏酸复合体的吸附解吸机理

6.2吸附解吸动力学研究

6.3粘土矿物-胡敏酸-重金属的表征

6.3.1 X射线衍射分析

6.3.2红外光谱图

6.3.3蒙脱石-胡敏酸-Cr的XPS图谱

6.4本章小结

结论与展望

1结论

2本项目的创新之处

3展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢