重金属离子和放射性核素在磁性海泡石上的吸附性能研究

摘要

海泡石是一种储量丰富的纤维状含镁硅酸盐粘土矿物。纯海泡石具有较大的比表面积和独特的层链状结构，这使其成为废水处理领域颇具应用前景的吸附材料。但由于天然海泡石纯度较低、比表面积较小、吸附性能较差、固液分离困难等，这限制了储量丰富和价格低廉的海泡石在废水处理中的广泛应用。本文以河南南阳海泡石为原料，先对其进行提纯和纤维解束处理，再以纤维解束海泡石为原料，采用化学共沉淀法制备了磁性海泡石。　　 对所制备的磁性海泡石进行了详细的表征。XRD、FT-IR和XPS分析结果表明，磁性海泡石是一种由Fe3O4和海泡石纤维组成的复合材料;N2吸附-脱附测试结果显示该材料的比表面积和平均孔径分别为106.33m2/g和11.3nm，是一种多孔材料;SEM分析结果显示该材料呈纤维分散状，其纤维长度、直径和长径比分别约为0.5-3.0μm、20-100nm和20-50，在其表面覆盖有直径约为5-30nm的Fe3O4纳米固体颗粒;VSM测试结果表明磁性海泡石的饱和磁化强度为16.85emu/g，能通过永久磁铁使其从水溶液中快速分离出来。　　 以磁性海泡石为吸附剂，采用静态吸附法考察了其对重金属离子Co(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)和放射性核素Eu(Ⅲ)的吸附性能，考察了振荡时间、pH、离子强度、腐植酸、吸附剂浓度和温度等因素对磁性海泡石吸附性能的影响，并探讨了其吸附机理。根据实验结果，可得出以下结论:(1)重金属离子Co(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)和放射性核素Eu(Ⅲ)在磁性海泡石上的吸附受体系的pH和离子强度的影响;(2)相比于拟一级动力学模型，拟二级动力学模型更适合Co(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和Eu(Ⅲ)在磁性海泡石上的吸附过程;(3)腐植酸在低pH值时促进Co(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和Eu(Ⅲ)在磁性海泡石上的吸附，在高pH值时抑制Co(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和Eu(Ⅲ)在磁性海泡石上的吸附;(4)对吸附等温线用Langmuir和Freundch模型进行拟合，结果显示Langmuir模型比Freundlich模型更适合Co(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)在磁性海泡石上的吸附，而Freundlich模型比Langmuir模型更适合Eu(Ⅲ)在磁性海泡石上的吸附;(5)通过吸附热力学计算可知，Co(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和Eu(Ⅲ)在磁性海泡石上的吸附过程均为自发的吸热过程;(6)磁性海泡石对Co(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和Eu(Ⅲ)的吸附机理为:低pH时主要是离子交换和外层表面络合，高pH时主要是内层表面络合和表面沉淀;(7)与常用的粘土矿物吸附剂相比，本实验制备的磁性海泡石吸附剂不仅具有较优异的吸附性能和良好的重复使用性，而且还能通过简便的磁分离过程实现高效的固液分离。

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摘要

致谢

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第一章 绪论

1．1 重金属离子和放射性核素污染的危害及处理方法简介

1．1．1 重金属离子和放射性核素的来源及其危害

1．1．2 处理重金属离子和放射性核素污染物的方法

1．2 海泡石及改性海泡石在废水处理中的应用研究

1．2．1 海泡石的储量和应用简介

1．2．2 海泡石的基本结构和性质

1．2．3 改性海泡石处理废水的研究现状

1．3 磁性吸附剂在废水处理中的应用研究

1．3．1 磁性吸附剂简介

1．3．2 磁性吸附剂在废水处理中的研究现状

1．4 腐植酸类物质简介

1．4．1 腐植酸的分类和结构

1．4．2 腐植酸的性质

1．5 本论文的研究思路及其主要研究内容

第二章 固-液界面吸附的基本概念和理论

2．1 固-液界面吸附的基本概念

2．2 影响固-液相吸附的因素

2．2．1 吸附剂的物理化学性质

2．2．2 吸附质自身性质

2．2．3 吸附体系的环境条件

2．3 吸附动力学研究

2．4 吸附热力学研究

2．5 吸附等温模型

2．5．1 Langmuir模型

2．5．2 Freundlich模型

第三章 实验部分

3．1 实验材料和仪器

3．1．1 实验原料和试剂

3．1．2 实验仪器和设备

3．2 磁性海泡石的制备

3．2．1 天然海泡石的提纯

3．2．2 提纯海泡石的纤维解束

3．2．3 磁性海泡石的制备

3．3 磁性海泡石的表征方法

3．4 静态批吸附实验

3．5 金属离子浓度分析

3．5．1 Co离子溶液的配制和浓度分析

3．5．2 Cd离子溶液的配制和浓度分析

3．5．3 Eu离子溶液的配制和浓度分析

第四章 结果与讨论

4．1 磁性海泡石的表征

4．1．1 XRD分析

4．1．2 FT-IR分析

4．1．3 N2吸附-脱附测试

4．1．4 XPS分析

4．1．5 SEM分析

4．1．6 VSM分析

4．2 磁性海泡石对Co(Ⅱ)的吸附性能研究

4．2．1 振荡时间及吸附动力学

4．2．2 pH值和离子强度的影响

4．2．3 吸附剂浓度的影响

4．2．4 腐植酸对吸附的影响

4．2．5 吸附等温线

4．2．6 吸附热力学

4．3 磁性海泡石对Cd(Ⅱ)的吸附性能研究

4．3．1 振荡时间及吸附动力学

4．3．2 pH和离子强度的影响

4．3．3 吸附剂浓度的影响

4．3．4 腐植酸对吸附的影响

4．3．5 吸附等温线

4．3．6 吸附热力学

4．4 磁性海泡石对Eu(Ⅲ)的吸附性能研究

4．4．1 振荡时间及吸附动力学

4．4．2 pH和离子强度的影响

4．4．3 吸附剂浓度的影响

4．4．4 腐植酸对吸附的影响

4．4．5 吸附等温线

4．4．6 吸附热力学

4．5 磁性海泡石重复使用性及对Co(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和Eu(Ⅲ)的吸附比较

4．6 磁性海泡石与常见粘土矿物吸附剂吸附性能比较

4．7 磁性海泡石吸附重金属离子和放射性核素的机理探讨

结论与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文