含铬废水高效吸附处理复合材料的制备与应用研究

摘要

人类活动的持续增加导致环境中大量的铬已成为最严重的环境污染问题之一，严重影响动植物的正常生长和人类生产生活。长期接触六价铬后会增加淋巴瘤、白血病，以及胃、肺和膀胱等患癌的风险，并且易于在环境介质中转移。饮用水是一种重要的六价铬接触途径，而世界上许多地区的饮用水中都含有大量的铬，这对公众健康构成严重威胁。吸附法对于废水中六价铬的有效去除具有能耗和成本低，易于操作，工艺简单、稳定高效且适用性较强等优点。在本研究中将间苯二胺（mPD）分别与Fe3O4和埃洛石纳米管（HNTs）结合生成了两种高效吸附材料，并用于废水中六价铬的去除。 在Na2CO3的调节下，分别利用Fe3O4和mPD，HNTs和mPD通过原位化学聚合形成磁性聚合物吸附剂Fe3O4@聚间苯二胺（Fe3O4@PmPD）与埃洛石纳米管/聚间苯二胺复合材料（HNTs/PmPD）。通过调整合成过程中Na2CO3浓度以及PmPD和Fe3O4的表观重量比例，研究了在合成过程中的Na2CO3浓度和Fe3O4质量对生成的Fe3O4@PmPD材料性能及Cr(Ⅵ)吸附容量的影响。吸附结果表明，由1M Na2CO3和0.5g Fe3O4制备的Fe3O4@PmPD具有最高的吸附容量。在室温（25℃）和反应体系pH=2.0条件下，Fe3O4@PmPD和HNTs/PmPD材料的最高吸附容量分别为654.39和855.66mg/g。还分别分析了溶液的pH，材料接触含铬废水的时间，吸附材料的加入量，初始的Cr(Ⅵ)浓度以及反应体系的温度对材料去除Cr(Ⅵ)效果的影响，实验证实：更长的接触时间，更多的吸附剂加入量，以及更低的pH值与更高的反应系统温度可以有利于Cr(Ⅵ)的消除。通过动力学与等温模型对实验数据进行了拟合评估，两种材料对六价铬的吸附行为与Langmuir方程和准二级动力学一致，表明其对Cr(Ⅵ)的吸附限制因素均是化学吸附。ICP-MS分析证实，一部分Cr(Ⅵ)在吸附过程中被还原为Cr(Ⅲ)。通过循环实验测试材料的可再生性，证明了Fe3O4@PmPD材料通过施加外界磁场能够便捷地进行固液分离从而可以循环使用，并在第5次循环使用时仍显示出73.18%的去除率，HNTs/PmPD在第3次循环也保留有高于90%的去除率。最后，根据各项表征和上述实验结果初步分析了六价铬去除的机制，大量存在于材料表面的苯环胺基和醌亚胺基是通过静电吸附和还原作用去除Cr(Ⅵ)阴离子的主要活性位点。 通过以上表征和分析手段对两种吸附剂的材料特性进行了分析，通过吸附实验，以及动力学热力学研究对材料的实际吸附效果进行了研究。实验结果显示，两种新研制的材料都拥有很好的六价铬治理效果及再生性。

目录

声明

1 绪论

1.1 水资源概况

1.2 重金属污染特点及现状

1.3 环境中六价铬的来源及危害

1.3.1 环境中六价铬的来源

1.3.2 环境中六价铬的危害

1.4 水体中重金属去除方法

1.4.1 化学沉淀

1.4.2 膜过滤

1.4.3 电化学处理

1.4.4 浮选

1.4.5 光催化

1.4.6 生物修复

1.4.7 离子交换

1.4.8 吸附法

1.5 芳香族聚合物的概述及改性方法

1.5.1 芳香族聚合物材料概述

1.5.2 芳香族聚合物材料的改性处理及应用现状

1.6 埃洛石纳米管的概述及改性方法

1.6.1 埃洛石的结构与性质

1.6.2 埃洛石的应用现状

1.7 本课题研究目的、意义，以及研究内容与技术路线

1.7.1 课题研究目的和意义

1.7.2 研究内容与技术路线

2 磁性聚间苯二胺吸附材料的制备及表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂与材料

2.2.2 实验仪器

2.2.3 聚间苯二胺的制备

2.2.4 磁性聚间苯二胺吸附材料的制备

2.3 结果与讨论

2.3.1 扫描电镜（SEM）分析

2.3.2 EDS能谱分析

2.3.3 红外光谱（FT-IR）分析

2.3.4 热重（TGA）分析

2.3.5 Zeta电位分析

2.4 本章小结

3 磁性聚间苯二胺吸附材料对废水中Cr(Ⅵ)的吸附性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 Cr(Ⅵ)标准储备液的配置

3.2.2 吸附性能评价方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 磁性材料和Na2CO3的量对吸附效果的影响

3.3.2 pH值对Cr(Ⅵ)去除率的影响

3.3.3 接触时间和初始浓度对Cr(Ⅵ)去除率的影响

3.3.4 吸附动力学模型研究

3.3.5 吸附等温模型研究

3.3.6 热力学参数

3.3.7 再生性研究

3.4 磁性聚间苯二胺材料去除Cr(Ⅵ)的潜在机制探究

3.5 应用价值分析、展望

3.6 本章小结

4 埃洛石纳米管/聚间苯二胺复合材料的制备及表征

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 聚间苯二胺的制备

4.2.2 埃洛石纳米管/聚间苯二胺复合材料的制备

4.3 结果与讨论

4.3.1 扫描电镜（SEM）分析

4.3.2 EDS能谱分析

4.3.3 红外光谱（FT-IR）分析

4.3.4 热重（TGA）分析

4.3.5 Zeta电位分析

4.4 本章小结

5 埃洛石纳米管/聚间苯二胺复合材料对Cr(Ⅵ)的吸附性能研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3.2 吸附剂用量对Cr(Ⅵ)去除率的影响

5.3.3 吸附时间和初始浓度对Cr(Ⅵ)去除率的影响

5.3.4 吸附动力学模型研究

5.3.5 吸附等温模型研究

5.3.6 热力学参数

5.3.7 再生性研究

5.4 埃洛石纳米管/聚间苯二胺复合材料去除Cr(Ⅵ)的潜在机制探究

5.5 应用价值分析、展望

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

大连理工大学学位论文版权使用授权书