摘要：

重金属在水中具有难降解,毒性强,具有积累效应等特征,重金属污染为人类生存和发展带来了严重威胁,引起人们的广泛关注,已成为备受关注的重大环保课题,国务院专门出台了《重金属污染综合防治"十二五"规划》以防治重金属污染.本工作制备四氧化三铁(Fe_3O_4)基纳米复合材料吸附剂用于水溶液中重金属离子的去除,通过复合生物质炭,Graphene以及氧化物TiO_2等改变其表面形态,提高其吸附能力.以Cu(II)和Cr(VI)为目标污染物,测试其对重金属离子的吸附去除性能.采用水热方法制备了Fe_3O_4,四氧化三铁/松球(Fe_3O_4/Pinecone),四氧化三铁/石墨烯(Fe_3O_4/Graphene),四氧化三铁/二氧化钛(Fe_3O_4/TiO_2),四氧化三铁/二氧化钛/石墨烯(Fe_3O_4/TiO_2/Graphene)等吸附剂,探讨了不同合成物配比,反应温度和反应时间等合成条件对吸附剂性能的影响,采用X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM)以及比表面积(BET)对吸附剂的晶体结构,表面形貌和比表面积进行表征.探究不同实验条件下吸附剂对重金属离子吸附量和去除率的影响,探索吸附剂的动力学过程,采用Langmuir,Freundlich和Temkin模型进行模拟吸附过程,探究Fe_3O_4基复合吸附剂对重金属离子的吸附去除机理,通过重金属离子在Fe_3O_4纳米吸附剂的解吸实验判断吸附反应是否可逆,进一步补充吸附去除机理,吸附剂吸附去除重金属离子一般经过吸附剂表面的表面扩散,吸附剂颗粒的内部扩散,最后在吸附剂表面达到吸附平衡.具体内容如下:(1)以FeCl_3?6H_2O为铁源,采用水热法制备立方晶型的Fe_3O_4纳米吸附剂,以Cr(VI)为目标污染物,测试其对Cr(VI)的吸附去除性能.在水热温度为200℃,反应时间为8h的条件下制备得到了圆球状的纳米Fe_3O_4为最佳吸附剂,在50mg?L-1的Cr(VI)溶液中用Fe_3O_4纳米吸附剂吸附去除重金属Cr(VI)测其性能,反应时间3h内,Cr(VI)在吸附剂的表面达到吸附平衡,对Cr(VI)的去除率为78%,通过BET测定Fe_3O_4纳米吸附剂比表面积为26.30m2?g-1,孔径为9.26nm,表明fe3o4纳米吸附剂可在一定程度上能有效吸附cr(vi),其最大吸附量为39.5mg?g-1.吸附热力学研究表明cr(vi)在吸附剂表面的吸附符合准二级动力学吸附机制,通过吸附热力学模型计算吸附过程的活化能为34.39kj?mol-1,并通过fe3o4纳米吸附剂对cr(vi)的解吸实验,96%的cr(vi)可以完全脱附,说明吸附解吸过程是可逆的,fe3o4纳米吸附剂吸附重金属cr(vi)的过程主要为物理吸附.(2)以graphene和松球制备的生物炭为碳源,生物质炭和graphene分别与fe3o4纳米吸附剂采用水热法复合,改变反应物不同配比,反应温度以及反应时间等不同反应条件制备一系列fe3o4/pinecone和fe3o4/graphene复合纳米吸附剂,都以重金属cr(vi)为目标污染物探究其吸附性能.水热温度为200℃,反应时间为8h,fe3o4与pinecone质量比为1﹕6的条件下能制备最佳fe3o4/pinecone复合纳米吸附剂,而水热温度为200℃,反应时间为8h,graphene的质量0.02g为最佳fe3o4/graphene复合纳米吸附剂的制备条件,将fe3o4/pinecone和fe3o4/graphene复合纳米吸附剂分别用于50mg?l-1cr(vi)溶液中吸附去除cr(vi)测其吸附性能,反应时间3h内,cr(vi)在吸附剂的表面达到吸附平衡,fe3o4/pinecone和fe3o4/graphene吸附重金属cr(vi)的吸附率分别为79.5%和84.6%,通过bet测定fe3o4/pinecone和fe3o4/graphene复合纳米吸附剂比表面积分别为27.86和121.17m2?g-1,最大吸附量分别为62.5mg?g-1和78.8mg?g-1,其比表面积的增大提高fe3o4/pinecone和fe3o4/graphene复合纳米吸附剂与重金属cr(vi)的接触面积,使其吸附率和最大吸附量明显提高.通过吸附热力学模型计算吸附过程的活化能分别为25.77和34.92kj?mol-1.并通过fe3o4/pinecone和fe3o4/graphene复合纳米吸附剂分别对cr(vi)进行解吸实验,分别为92.6%和94%的cr(vi)可以完全在吸附剂表面脱附,说明吸附解吸过程都是可逆的,fe3o4/pinecone和fe3o4/graphene复合纳米吸附剂吸附重金属cr(vi)的过程都主要为物理吸附.fe3o4/pinecone和fe3o4/graphene复合纳米吸附剂比fe3o4纳米吸附剂吸附cr(vi)的性能明显提高,表明fe3o4纳米吸附剂性能得到有效改善.(3)以fecl_3?6h2o为铁源,钛酸四丁酯(tbot)为钛源,采用水热法制备fe3o4/tio2复合纳米吸附剂,改变反应物的量,反应温度以及反应时间等不同反应条件制备一系列fe3o4/tio2复合纳米材料吸附剂,以cu(ii)为吸附目标污染物探究其吸附性能.水热温度为200℃,反应时间为24h,0.4gfe3o4和5mltbot为最佳的制备条件,将其用于50mg?l-1cu(ii)溶液中吸附去除cu(ii)测其性能,反应时间3h内,cu(ii)在吸附剂的表面达到吸附平衡,fe3o4/tio2纳米吸附剂吸附重金属cu(ii)的吸附率为70%,通过bet测定fe3o4/tio2纳米吸附剂的比表面积为32.31m2?g-1,表明Fe_3O_4/TiO_2纳米吸附剂可在一定程度上能有效吸附Cu(II),最大吸附量为58.29 mg?g-1.通过吸附热力学模型计算吸附过程的活化能为37.62 KJ?mol-1.通过Fe_3O_4/TiO_2纳米吸附剂对Cu(II)的解吸实验,91.4%的Cu(II)可以完全脱附,说明吸附解吸过程是可逆的,Fe_3O_4/TiO_2复合纳米吸附剂吸附重金属Cu(II)的过程主要为物理吸附.(4)以Fe_3O_4/TiO_2为基质,采用超声辅助法水热法复合Graphene,改变反应物不同配比,反应温度以及反应时间等不同反应条件制备一系列Fe_3O_4/TiO_2/Graphene三元复合纳米材料吸附剂,以Cu(II)为吸附目标污染物探究其吸附性能.水热温度为200℃,反应时间为24h,Graphene的质量为0.05g为最佳的制备条件,将其用于50mg?L-1 Cu(II)溶液中吸附去除Cu(II)测其性能,反应时间3h内,Cu(II)在吸附剂的表面达到吸附平衡,Fe_3O_4/TiO_2/Graphene纳米吸附剂吸附重金属Cu(II)的吸附率为72.8%,通过BET测定Fe_3O_4/TiO_2/Graphene纳米吸附剂的比表面积为422.84 m2?g-1,最大吸附量为67.4mg?g-1.其比表面积的增加提高Fe_3O_4/TiO_2/Graphene复合纳米吸附剂与重金属Cu(II)的接触面积,使其吸附率和最大吸附量明显提高.通过吸附热力学模型计算吸附过程的活化能为17.32 KJ?mol-1,并通过Fe_3O_4/TiO_2/Graphene纳米吸附剂对Cu(II)的解吸实验,90.09%的Cu(II)可以完全脱附,说明吸附解吸过程是可逆的,Fe_3O_4/TiO_2/Graphene复合纳米吸附剂吸附重金属Cu(II)的过程主要为物理吸附.Fe_3O_4/TiO_2/Graphene复合吸附剂比Fe_3O_4和Fe_3O_4/TiO_2吸附剂吸附Cu(II)性能得到有效的改善.

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