巯基化蒙脱石的制备及其对镉的吸附/解吸机理研究

摘要

镉是一种十分稀少且分布较广的元素，在常见土壤中的背景值一般小于0.2μg/g。离子态镉能通过食物链进入人体，当其超过一定限量时，会对生态环境和人体造成危害。目前，很多地区的土壤镉严重超出环境质量标准值，影响了农作物的正常生长，如长江三角洲和湖南洞庭湖地区的水稻土壤和籽实都存在镉超标现象，已经危害到人类的健康。我国蒙脱石资源丰富，由于其具有良好的离子交换性能及较大的比表面积，被广泛运用于镉污染的治理。但天然蒙脱石在实际运用中还有一定的局限性，现有很多研究是对其进行一定的改性处理，以提高对重金属离子的去除效果。巯基有很强的粘附能力，能很好地固定重金属离子，且不易被洗脱。现有一些研究对蒙脱石进行巯基改性，但改性的方法都比较繁琐。本研究以（3-巯丙基）三甲氧基硅烷作为改性剂，采用简便的溶液法对蒙脱石进行巯基改性，探讨了巯基化蒙脱石对镉的吸附条件、吸附机理，并将改性蒙脱石对镉污染土壤进行了应用，取得了令人满意的效果。研究成果主要有:
　　 1、采用简便的溶液法，用（3-巯丙基）三甲氧基硅烷对蒙脱石进行巯基化。对巯基化蒙脱石进行XRD、FT-IR、热分析等表征，表明蒙脱石被成功接上巯基;制备巯基化蒙脱石适宜的试验条件为:温度为常温、反应时间为6h、固液比为1∶100、酸化蒙脱石与（3-巯丙基）三甲氧基硅烷质量比为1∶1。固液比、酸化蒙脱石及（3-巯丙基）三甲氧基硅烷的使用量三者之间的关系对制备巯基化蒙脱石的影响大。
　　 2、用巯基化蒙脱石对镉进行吸附及模拟酸雨条件下解吸试验研究，结果表明:在溶液pH值为6、KNO3浓度为0.1 mol/L、吸附反应时间为1h时吸附达到平衡，固液比为1∶200时吸附量最大;在平衡条件下巯基化蒙脱石对镉的饱和吸附量为42.65 mg/g，比蒙脱石原土提高了近39倍;在酸雨pH值为3.5、酸雨离子强度为0.3 mmol/L、解吸反应时间为1h时解吸达到平衡，且解吸量远低于蒙脱石原土。
　　 3、在吸附及解吸平衡条件下，本文进行了巯基化蒙脱石对镉吸附及模拟酸雨解吸的动力学与热力学试验，结果发现:吸附及解吸的动力学行为均符合Lagergren准二级反应速率模型，说明吸附和解吸过程都是化学反应过程;吸附热力学行为更符合Langmuir模型，吸附过程中热力学参数变化(⊿H、⊿G、⊿S)表明巯基化蒙脱石对镉的吸附是一个自发的吸热反应。
　　 4、巯基化蒙脱石对镉的吸附和模拟酸雨解吸试验，吸附解吸动力学与热力学实验结果均表明:吸附过程是静电吸附、离子交换吸附和配位反应（包括羟基配位与巯基配位）共同作用的结果，作用力大小顺序为:静电吸附＜离子交换吸附＜羟基配位作用＜巯基配位作用。
　　 5、土壤加镉、加铅镉培育后，将蒙脱石原土和巯基化蒙脱石分别进行土壤污染修复实验，提取的有效态镉浓度大小顺序为:加入巯基化蒙脱石土壤小于加蒙脱石原土的土壤小于未加蒙脱石的土壤。实验结果表明巯基化蒙脱石对镉有良好的吸附效果，有望应用于土壤镉的固定和修复。
　　 研究结果为土壤镉污染治理提供可应用的固定、修复材料，也为水体和空气中镉污染治理提供借鉴，具有重要的环境意义和社会价值。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 镉污染及其治理研究

1．1．1 镉及镉污染的介绍

1．1．2 土壤镉污染治理研究

1．2 粘土矿物治理镉污染土壤的应用研究

1．3 蒙脱石应用于土壤镉污染的治理研究

1．3．1 蒙脱石介绍

1．3．2 蒙脱石应用于镉的吸附去除研究

1．3．3 蒙脱石吸附去除镉的机理研究

1．4 本课题的来源、意义及主要研究内容

1．5 本研究的创新点

第2章 巯基化蒙脱石的制备、表征

2．1 试验仪器及药品

2．1．1 试验材料

2．1．2 主要仪器及试剂

2．2 试验方法

2．2．1 巯基化蒙脱石的制备

2．2．2 XRD测定

2．2．3 红外测定

2．2．4 MMT-SH对镉的吸附试验

2．2．5 模拟酸雨对镉的解吸试验

2．2．6 镉的测定方法

2．2．7 数据计算方法

2．3 MMT与MMT-SH的表征结果

2．3．1 MMT与MMT-SH的外观

2．3．2 XRD表征

2．3．3 FT-IR表征

2．3．4 热分析

2．3．5 电镜扫描

2．4 MMT-SH制备过程中的影响因素分析

2．4．1 反应温度的影响

2．4．2 反应时间的影响

2．4．3 固液比的影响

2．4．4 改性剂用量的影响

2．4．5 固液比、酸化蒙脱石及改性剂用量的关系

2．5 MMT、钠化蒙脱石、酸化蒙脱石及MMT-SH的比较

第3章 巯基化蒙脱石对镉的吸附及酸雨解吸

3．1 试验仪器与主要试剂

3．2 试验方法

3．3 MMT-SH和MMT吸附镉的影响因素分析

3．3．1 pH值的影响

3．3．2 固液比的影响

3．3．3 离子强度的影响

3．3．4 吸附时间的影响

3．4 饱和吸附容量

3．5 模拟酸雨解吸镉的影响因素分析

3．5．1 酸雨pH的影响

3．5．2 酸雨离子强度的影响

3．5．3 解吸时间的影响

第4章 巯基化蒙脱石吸附镉的机理研究

4．1 试验仪器与主要试剂

4．2 试验方法

4．3 吸附动力学与热力学模型

4．3．1 吸附动力学模型

4．3．2 吸附热力学模型

4．3．3 热力学参数计算

4．4 吸附动力学研究

4．5 吸附热力学研究

4．6 解吸动力学研究

4．7 巯基化蒙脱石对镉的吸附机理探讨

4．7．1 MMT-SH吸附镉前后的XRD表征

4．7．2 MMT-SH吸附镉前后的FT-IR表征

4．7．3 MMT-SH吸附镉的机理

第5章 巯基化蒙脱石应用于镉污染土壤修复

5．1 试验仪器与主要试剂

5．2 试验方法

5．2．1 试验材料

5．2．2 模拟重金属污染土壤制备

5．2．3 修复试验方法

5．2．4 镉的提取方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 MMT-SH应用于镉污染土壤

5．3．2 MMT-SH应用于铅镉复合污染土壤

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果