特性矿物吸附材料制备、表征及阳离子染料吸附机理研究

摘要

天然矿物吸附材料是当前国内外学者研究环境矿物材料热点课题之一。本论文系统研究了基材矿物的物相组成、晶体结构、形貌特征以及物理化学性质特性，利用焙烧和水热改性法，研究了四种基材复配比例等工艺条件，制备了高效复合吸附矿物材料（SMA、SMA-V、SMA-N、SMA-HT），并通过XRD、SEM、FT-IR及 TG/DSC/DTG等手段对材料进行系统表征。采用制备的材料作为吸附剂，系统研究了吸附四种典型阳离子染料的工艺条件。主要研究结论如下：
　　1.热重分析揭示了石墨在富氧气氛下加热超过724.3℃后易被迅速氧化为CO2逸出这一现象；引入XRD小角度（2θ角为0.5°~3°）分析插层改性后的膨胀石墨晶体，发现石墨的（001）面层间距由0.68212nm被撑大为15.23345 nm，c轴方向层间域有明显增加，表明具有吸附能力的孔道或介孔显著增加。
　　2.分别采用富氧、缺氧及无氧气氛焙烧技术制备了三种特性矿物吸附材料SMA、SMA-V、SMA-N，讨论了控制焙烧环境中氧气对特性矿物吸附材料结构改造及孔道调控机制。发现缺氧气氛焙烧时，SMA-V既保留了膨胀石墨的有效组分，又有利于活性基团Al-OH、Si-O-Al的生成和孔道的发育，兼顾了石墨组分保留与提高吸附效率的协同效应，从而使其吸附阳离子染料的效果优于 SMA及SMA-N。
　　3.采用水热法制备了特性矿物吸附材料 SMA-HT，探讨了温度、时间、固液比对吸附材料微观形貌结构、表面官能团及矿物表面界面晶体缺陷的影响。水热改性在保留了未改性的矿物吸附材料（SMA）中具有良好吸附活性Al-OH及Si-O-Al基团的基础上，使层状硅酸盐矿物晶体结构沿c轴方向变松散，层间距增大，使与底氧相连的层间金属阳离子部分被交换出，导致SMA-HT呈负电性，为高效吸附阳离子染料创造出更多的晶体缺陷和化学活性吸附位点，从而使吸附效率大幅提高。
　　4.研究揭示了特性矿物吸附材料的吸附规律。（1）SMA对四种典型阳离子染料的吸附净化效果依次为MG> MO> NR> MB；（2）吸附材料对于MG染料的吸附效率依次为SMA-HT> SMA-V> SMA> SMA-N；（3）四种特性矿物吸附材料都具有优异的再生和重复利用性能及轻质无二次污染特性。
　　5.构建了吸附体系中平衡点pH（pHE）数学模型：y=k（x-pHE），对定量描述和有效控制吸附净化过程具有重要应用价值。
　　6.对SMA、SMA-HT、SMA-N及SMA-V吸附净化阳离子染料废水的吸附等温线模型及吸附动力学模型分析发现，Langmiur吸附等温线模型及准一级动力学模型均能较好地描述其吸附过程，且拟合度较高。另外，热力学分析模型表明，ΔG、ΔH均小于零且ΔS均大于零，说明采用水热法及控制焙烧环境（缺氧焙烧）均有利于反应的进行，且整个吸附过程为放热反应。
　　本文的主要创新点为：
　　1.引入插层石墨与矿物特性优化组合的粘土矿物复合，制备出对典型阳离子染料有显著吸附性能且无二次污染可循环利用的新型矿物吸附材料。
　　2.采用水热法及控制焙烧环境（缺氧焙烧）对矿物进行改性或结构改造，研究了孔道调控机制与典型阳离子染料吸附机理。创建了控制矿物表面晶体缺陷与活性吸附位点的技术体系。构建了吸附体系中平衡点pH的数学模型。
　　3.采用X射线衍射小角度（2θ角为0.5°~3°）表征分析插层改性后的膨胀石墨，为量化描述改性膨胀石墨的膨胀特性参数提供了有效的表征方法。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 吸附污染物基本原理

1.3 矿物吸附材料研究进展

1.4 人工合成矿物吸附材料研究进展

1.5 改性矿物吸附材料研究进展

1.6 矿物复合材料研究现状

1.7 矿物吸附材料处理废水存在的主要问题

1.8 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题

第2章 基材矿物原料表征及性能分析

2.1 主要仪器及原料

2.2 膨胀石墨的制备

2.3 分析方法

2.4 基材矿物基材特征

2.5 本章小结

第3章 特性矿物吸附材料制备及表征

3.1 试验主要试剂及仪器

3.2 特性矿物吸附材料的制备

3.3 测试方法

3.4 分析方法

3.5 特性矿物吸附材料表征及吸附性能分析

3.6 本章小结

第4章 四种阳离子染料吸附应用研究

4.1主要试剂及仪器

4.2 试验及分析方法

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 阳离子染料吸附作用机理研究

5.1 水热改性特性矿物吸附材料SMA-HT吸附机理

5.2 SMA、SMA-V、SMA-N吸附机理

5.3 吸附体系平衡点pH数学模型

5.4 阳离子染料吸附机理

5.5 本章小结

第6章 结论及展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

缩略语说明

发表论文及科研情况

致谢