钛酸盐复合材料对放射性核素和重金属离子的吸附研究

摘要

随着我国城市化和核工业的发展，重金属离子和放射性核素对人类的威胁日益加重，因此关于去除污水中的重金属离子和放射性核素的研究越来越受到重视。在重金属离子和放射性核素进入环境前对其进行处理是非常重要的，吸附被认为是一种去除重金属离子和放射性核素的有效方法，具有不污染环境，操作简便，效率高等优点。在吸附材料的选择上要满足一些标准，比如材料具有较大的比表面积，较高的稳定性，循环使用能力以及较好的生物降解性。
　　由于对目标阳离子的高选择性以及高吸附性，具备较高比表面积以及独特的TiO6八面体结构的钛酸盐在去除污水中金属离子中受到了广泛的关注和研究。作为一种无机离子交换材料，钛酸盐被认为能高效去除污水中金属离子。然而钛酸盐本身的一些缺点如容易团聚，会降低钛酸盐吸附金属离子的能力。若将钛酸盐铺在基底材料上可以有效的解决这个问题。铺在基底材料上的钛酸盐具有较高的分散性，这样有利于增加钛酸盐的比表面积，提高活性位点的数量，从而提高材料吸附能力。研究表明，碳材料通常在许多领域中被用作基底支撑材料。本论文正是关注于这个问题的研究，通过制备不同种类的碳/钛酸盐复合材料并应用于水体中金属离子污染物的去除。对论文中合成的碳/钛酸盐复合材料进行了SEM、TEM、FT-IR、XRD、BET和XPS等表征分析。并通过静态批实验研究溶液中pH值、离子强度、接触时间、温度等因素对碳/钛酸盐复合材料去除水溶液中金属离子的影响。同时利用微观分析技术深入探究了金属离子在碳/钛酸盐复合材料上的吸附机理。
　　本论文主要结果如下:
　　(1)以氧化石墨烯(GO)作为碳基底并通过水热法合成了GO/Na2Ti3O7复合材料。将GO/Na2Ti3O7应用于Co(Ⅱ)的去除之中。由Langmuir模型拟合，GO/Na2Ti3O7对Co(Ⅱ)的最大吸附量达到了590.7mg/g(pH=5.5和T=318K)，远高于Na2Ti3O7的吸附量(114.1mg/g)。该吸附过程在pH＜7.0时主要机制为外层表面络合或离子交换，而在pH＞7.0时主要机制为内层表面络合。准二级动力学模型拟合动力学数据效果比较好，Co(Ⅱ)在GO/Na2Ti3O7上的吸附在8小时内可达到平衡状态。在循环利用实验研究中，7轮循环后GO/Na2Ti3O7对Co(Ⅱ)的吸附量由157.0mg/g下降至132.2mg/g，这表明GO/Na2Ti3O7具备很好的循环使用能力。微观分析方面，由XRD分析可知Na2Ti3O7的离子交换反应参与了GO/Na2Ti3O7吸附Co(Ⅱ)的过程，同时FT-IR和XPS分析表明了在吸附过程中，Co(Ⅱ)同GO/Na2Ti3O7表面的-OH发生了反应。
　　(2)以碳凝胶(CA)作为碳基底，通过水热法制备CA/Na2Ti3O7的复合材料。相比较Na2Ti3O7，在T=298K和pH5.5的条件下，CA/Na2Ti3O7对金属离子展现出了较高的吸附量，对金属吸附量分别为Rb(Ⅰ):70.5mg/g，Cd(Ⅱ):133.4mg/g，Eu(Ⅲ):224.1mg/g和U(Ⅵ):264.5mg/g，说明同CA的结合能够协同性地提高Na2Ti3O7的吸附能力。FT-IR和XPS微观分析显示吸附过程主要归因于金属离子同Na2Ti3O7夹层中Na+发生离子交换反应，同时金属离子也同CA/Na2Ti3O7表面的-OH发生反应。在低pH时，金属离子在CA/Na2Ti3O7上的吸附主要是离子交换或外层表面络合，而在高pH时主要是内层表面络合。准二级动力学模型能很好的拟合动力学实验数据，在2小时内就能达到平衡状态。并且CA/Na2Ti3O7具有很好的可回收性和可恢复性。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 论文选题依据及研究意义

1．2 水污染处理的方法

1．2．1 萃取

1．2．2 沉淀

1．2．3 介电泳

1．2．4 光催化

1．2．5 膜分离

1．2．6 吸附

1．3 已发表文章中主要工作和研究成果

1．4 钛酸盐及其复合材料的应用

1．5 本课题选择的意义和研究内容

第二章 实验部分

2．1 实验材料

2．1．1 实验试剂和药品

2．1．2 实验设备及器材

2．1．3 实验金属离子浓度测量方法

2．2 碳／钛酸盐复合材料制备

2．2．2 CA／Na2Ti3O7制备

2．3 表征方法

2．3．1 扫描电镜(SEM)

2．3．7 X射线光电子能谱分析(XPS)

2．4 吸附实验

2．5 实验相关公式与模型

2．5．1 吸附量及吸附率计算

2．5．2 吸附动力学模型

2．5．3 吸附等温线模型

2．5．4 吸附热力学公式

第三章 GO／Na2Ti3O7复合材料对于Co(Ⅱ)去除研究

3．1 引言

3．2 表征分析

3．3 批量实验

3．3．1 接触时间

3．3．2 pH和离子强度

3．3．3 吸附等温线和热力学分析

3．3．4 可重复利用性研究

3．4 机理分析

3．5 本章小结

第四章 CA／Na2Ti3O7复合材料对于Rb(Ⅰ)，Cd(Ⅱ)，Eu(Ⅲ)和U(Ⅵ)的去除研究

4．1 简介

4．2 表征分析

4．3 批量实验

4．3．1 接触时间

4．3．2 pH和离子强度

4．3．3 吸附等温线

4．3．4 可重复利用性研究

4．4 机理分析

4．5 本章小结

第五章 全文总结和展望

5．1 全文工作总结

5．2 论文创新点

5．3 有待深入研究的问题

参考文献

致谢

作者简介及在读期间发表的学术论文