g-C3N4/Fe3O4/ZIF-8纳米复合材料的合成及其对孔雀石绿和镉离子吸附性能的研究

摘要

目前，随着人口快速增长和经济快速发展，全球范围内用水量逐步增加。但是，每天都有很大一部分水源受到污染。其中，水体重金属污染和有机染料的污染已经成为影响人们生活环境比较严重的污染问题。孔雀石绿（MG）是纺织工业中最常用的染料之一，也被广泛用作在水产养殖业中的消毒剂，它能对人体产生致畸和致癌。目前，从水体中去除孔雀石绿和镉的方法有混凝法、絮凝法、生物处理法、沉淀法、吸附法等。其中，吸附法因操作简便和有效而被广泛使用。而吸附法的关键取决于吸附剂的去除效率。因此开发新型具有高吸附性能的吸附剂是一件很重要的事情。碳纳米材料具有比表面积大、吸附性能好的特点，是应用最为广泛的一类吸附剂。其中，石墨相氮化碳（g-C3N4）是一种新型的非金属类石墨半导体材料，具有稳定性好、硬度强、比表面积大等优异特性，在吸附领域显示出巨大应用潜力。然而，g-C3N4作为吸附剂的使用存在难以分离的问题。而磁性纳米材料具有在外磁场作用下易于磁分离的功能，使用方便，易于回收。考虑到纳米复合材料能兼具多种材料的特性。我们基于氮化碳纳米片合成磁性氮化碳基纳米复合材料以实现对孔雀石绿和镉的高效吸附和磁分离，具体内容如下： 1.本文以廉价的尿素为原料，采用高温煅烧、超声剥离的方法制备出片层状石墨相氮化碳(g-C3N4)纳米材料，通过醇热法合成了g-C3N4/Fe3O4并进一步合成了g-C3N4/Fe3O4/ZIF-8纳米复合材料。采用X射线衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)、透射电镜(TEM)、比表面积（BET）和室温磁滞回线测试对g-C3N4/Fe3O4/ZIF-8纳米复合材料的结构、形貌、比表面积和磁学性能进行了表征。该纳米复合材料有着很大的比表面积和良好的磁性，在外磁场作用下易于分离。 2.基于g-C3N4/Fe3O4/ZIF-8纳米复合材料发展了一种高效吸附MG的新型吸附剂。实验中对影响MG吸附的各种条件（pH，吸附剂浓度，MG初始浓度）进行了优化。g-C3N4/Fe3O4/ZIF-8纳米复合材料对MG的吸附符合准二级动力学模型和Langmuir模型，对MG的最大平衡吸附量可达3412mg/g。热力学数据（ΔG°＜0,ΔH°＞0,ΔS°＞0）表明纳米复合材料对MG的吸附过程是可行的，自发的，吸热的。在吸附-解吸五个重复操作过程里，去除率仍然接近第一次，说明该材料具有良好的吸附再生性能。 3.将合成的g-C3N4/Fe3O4/ZIF-8纳米复合材料用于吸附Cd2+，我们探究了pH，吸附剂浓度，Cd2+初始浓度对吸附过程的影响。g-C3N4/Fe3O4/ZIF-8纳米复合材料对Cd2+的吸附实验数据符合准二级动力学方程和Freundlich方程。g-C3N4/Fe3O4/ZIF-8纳米复合材料吸附Cd2+时，ΔH°和ΔS°均为正值，ΔG°为负值，表明复合材料对Cd2+的吸附是自发吸热过程。g-C3N4/Fe3O4/ZIF-8纳米复合材料在经过5次再生后仍然具有和第一次吸附相近的吸附效果，是一种可以重复使用的吸附剂。

目录

声明

符号说明

1 前言

1.1 研究背景

1.1.1 有机染料孔雀石绿对水体的污染以及危害

1.1.2 重金属Cd2+对水体以及环境的污染

1.2 去除染料和重金属的方法

1.2.1 膜分离法

1.2.2 混凝法

1.2.3 电化学法

1.2.4 生物技术法

1.2.5 吸附法

1.2.6 光催化降解法

1.2.7 结论

1.3 吸附剂的种类以及吸附类型

1.4 g-C3N4的简介

1.5 Fe3O4的简介

（1）Fe3O4 在吸附上的应用

（2）Fe3O4 在光催化方面的应用

1.6 ZIF-8的简介

（1） ZIF-8 在吸附重金属离子方面的应用

（2） ZIF-8 在吸附有机物染料方面的应用

1.7 吸附动力学、热力学以及吸附等温线理论知识

1.7.1 吸附动力学

1.7.2 吸附热力学

1.8 本课题研究目的和意义

1.8.1 研究的目的和意义

1.8.2 研究的主要内容

2 纳米复合材料的制备以及表征

2.1 实验器材

2.1.1 实验试剂

2.1.2 实验仪器

2.2 材料的制备

2.2.1 g-C3N4的制备

2.2.2 g-C3N4/Fe3O4纳米复合材料的制备

2.2.3 g-C3N4/Fe3O4/ZIF-8纳米复合材料的制备

2.3 材料的表征与结论

2.3.1 X-ray diffraction (XRD)表征

2.3.2 透射电镜（TEM）表征

2.3.3 红外可见光谱（FI-IR）表征

2.3.4 比表面积以及孔径表征

2.3.5 磁性表征

3 g-C3N4/Fe3O4/ZIF-8纳米复合材料对水溶液中孔雀石绿的吸

3.1 实验内容

3.1.1 pH的影响

3.1.2 吸附剂用量的影响

3.1.3 初始浓度的影响

3.1.4 动力学研究

3.1.5 热力学研究

3.1.6 重复性实验

3.2 结果与讨论

3.2.1 溶液pH的影响

3.2.2 吸附剂浓度的影响

3.2.3 MG初始浓度的影响

3.2.4 吸附动力学的研究

3.2.5 吸附热力学的研究

3.2.6 热力学参数

3.2.7 解吸及重复利用

3.2.8 机理讨论

3.3 小结

4 g-C3N4/Fe3O4/ZIF-8纳米复合材料对水溶液中重金属镉离子

4.1 实验内容

4.1.1 标准曲线的绘制

4.1.2 pH的影响

4.1.3 吸附剂用量的影响

4.1.4 初始浓度的影响

4.1.6 热力学研究

4.1.7 重复性实验

4.2 结果与讨论

4.2.1 溶液pH的影响

4.2.2 吸附剂浓度的影响

4.2.3 初始浓度的影响

4.2.4 吸附动力学的研究

4.2.5 吸附热力学的研究

4.2.6 解吸及重复利用

4.3 小结

5 创新之处

参考文献

致谢

8 攻读学位期间发表论文情况