海泡石改性制备磁性纳米复合材料对Pb(Ⅱ)去除的研究_于生慧.pdf

第4 1卷 第3期 陕西科技大学学报 V o l.4 1N o.3 2 0 2 3年6月 J o u r n a l o fS h a a n x iU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y J u n.2 0 2 3*文章编号:2 0 9 6-3 9 8 X(2 0 2 3)0 3-0 0 2 0-0 9海泡石改性制备磁性纳米复合材料对P b(I I)去除的研究于生慧,王翼远,王 艳,胡小敏,姜铭峰(陕西科技大学 环境科学与工程学院,陕西 西安 7 1 0 0 2 1)摘 要:在天然粘土矿物中,海泡石具有独特的纳米棒状和层链状结构,从而具备较大的比表面积和孔体积,在环境污染修复领域逐渐受到关注.在本研究中,首先以海泡石为原材料通过酸碱化处理制备了S i O2-M g(OH)2复合材料,再通过磁铁矿的负载,制备出一种新型的具有磁性的、高比表面积含镁纳米复合材料(S i O2-M g(OH)2-F e3O4),在此基础上,研究了新型复合材料对水体中P b(I I)的去除效果.结果表明,与海泡石原样相比,所制备的含镁纳米复合材料(S i O2-M g(OH)2-F e3O4)表现出较大的比表面积和良好的磁性,其对重金属P b(I I)去除容量为2 5 7.6m g/g.纳米磁性复合材料对P b(I I)的吸附过程符合拟一级动力学模型;吸附热力学模拟显示,磁性复合材料对P b(I I)的吸附符合F r e u n d i c h模型.综合海泡石基磁性纳米复合材料制备过程简捷和良好的磁分离性,所制备的复合材料在环境领域具有良好的应用前景.关键词:海泡石;改性;纳米复合材料;P b(I I)中图分类号:X 7 0 3.1 文献标志码:AS t u d yo nr e m o v a l a b i l i t y t oP b(I I)o fm a g n e t i cn a n o c o m p o s i t ed e r i v e df r o ms e p i o l i t eYUS h e n g-h u i,WANGY i-y u a n,WANGY a n,HUX i a o-m i n,J I ANG M i n g-f e n g(S c h o o lo fE n v i r o n m e n t a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,S h a a n x iU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y,X i a n7 1 0 0 2 1,C h i n a)A b s t r a c t:Am o n gt h en a t u r a lc l a ym i n e r a l s,s e p i o l i t eh a sb e e nw i d e l yu s e di ne n v i r o n m e n t a lr e m e d i a t i o nf i e l d sd u e t o i t s f i b r o u sc h a i ns t r u c t u r eo f i n t e r l a y e rb e t w e e ns i l i c o no x y g e nt e t-r a h e d r o na n dm a g n e s i u mo x y g e no c t a h e d r o n,w h i c hh a sl a r g es p e c i f i cs u r f a c ea r e aa n dp o r ev o l u m e.I nt h i s s t u d y,S i O2-M g(OH)2c o m p o s i t em a t e r i a lw a s f i r s tp r e p a r e dd e r i v e d f r o ms e-p i o l i t ev i aa c i d-a l k a l i n e t r e a t m e n t,a n dm a g n e t i t ew a st h e nl o a d e do nt h ec o m p o s i t e,f o r m i n gm a g n e t i cn a n o c o m p o s i t e(S i O2-M g(OH)2-F e3O4)w i t hh i g hs p e c i f i cs u r f a c ea r e a.M e a n-w h i l e,t h er e m o v a l p e r f o r m a n c eo ft h i sn e wn a n o c o m p o s i t em a t e r i a l t oP b(I I)w a ss t u d i e d,*收稿日期:2 0 2 2-1 2-2 6基金项目:国家自然科学基金项目(4 1 7 0 2 0 3 8);陕西省科技厅自然科学基金项目(2 0 1 9 J M-3 7 5);陕西省科技创新团队计划项目(2 0 2 2 T D-0 9);陕西省重点产业链计划项目(2 0 2 2 Z D L NY 0 2-0 2)作者简介:于生慧(1 9 8 9),男,山东临沭人,讲师,博士,研究方向:环境矿物学DOI:10.19481/ki.issn2096-398x.2023.03.003第3期于生慧等:海泡石改性制备磁性纳米复合材料对P b(I I)去除的研究s y s t e m a t i c a l l y.T h er e s u l t sd e m o n s t r a t e t h a t t h e r e m o v a l c a p a c i t yo f t h em a g n e s i a-c o n t a i n i n gn a n o c o m p o s i t e(S i O2-M g(OH)2-F e3O4)f o rP b(I I)i s2 5 7.6m g/g,w h i c hh a sh i g h e rs p e c i f i cs u r f a c ea r e aa n dg o o dm a g n e t i s mc o m p a r e dw i t hr a ws e p i o l i t e.T h ea d s o r p t i o nd a t af i tw e l lw i t ht h ep s e u d o-f i r s t-o r d e ra d s o r p t i o nk i n e t i cm o d e la n dF r e u n d i c hi s o t h e r m m o d e l.D u et ot h es i m p l i c i t yo ft h es y n t h e t i cp r o c e d u r e,t h eh i g hr e m o v a le f f i c i e n c yf o rP b(I I),a sw e l la st h ee a s ys e p a r a t i o no f t h ea d s o r b e n t f r o mw a t e r,t h es e p i o l i t en a n o c o m p o s i t e sh a v en o t e w o r-t h ya p p l i c a t i o np o t e n t i a l i nt h ee n v i r o n m e n t a l f i e l d.K e yw o r d s:s e p i o l i t e;m o d i f i c a t i o n;n a n o c o m p o s i t e;P b(I I)0 引言P b作为一种在生产生活中重要的金属元素,其常见于电池、金属电镀和精加工领域,并且也用作生产汽油的添加剂等1,同时,P b(I I)的高毒性也会对人体健康和自然环境造成严重的威胁.根据世界卫生组织标准,饮用水中允许的P b(I I)浓度限制在0.0 1m g/L以内,而根据美国环境保护署的调查显示,即使在低浓度P b(I I)存在下,依然对人性会产生毒性2.饮用水中P b(I I)浓度过高可能导致多种疾病,包括脑病、贫血和肝炎.由于P b(I I)的不可降解性并会在生物体中积累,因而必须从水体和废水中去除P b(I I)3.目前,去除废水中P b(I I)的方法主要有混凝-絮凝法4、膜过滤5、吸附6和离子交换7.其中吸附法因有着方便、简单、优异的去除能力和较低的经济成本而被广泛利用8,9.生物炭和粘土矿物是常用的重金属吸附剂受到广泛研究1 0.例如,Z h a o等1 1制备出了一种绿色磁性生物炭用于吸附P b(I I),最大吸附容量可达1 9 6.9 1m g/g;Y a n g等1 2通过热解空心莲子草合成了一种新型生物炭吸附剂(A P B),结果也表明使用低成本的A P B吸附剂处理重金属污染水可能具有重要的生态和环境意义;H u a n g等1 3和D i n h等1 4则分别对凹凸棒石和膨润土进行了改性,提高了粘土矿物对P b(I I)的吸附性能.近些年来,由于纳米材料特殊的性质,其开始在环境修复领域受到关注.特别是在水体中重金属的处理方面,纳米材料具有较大的比表面积和大量的表面活性位点,展现出巨大的应用潜力1 5.纳米水镁石M g(OH)2 是一种优异的吸附剂,引发广泛的研究兴趣1 6,1 7.例如,L i u等1 8探索了M g(OH)2纳米吸附剂在处理低浓度C r(V I)时的循环回收方法;L i u等1 9研究表明M g(OH)2负载纳米级零价铁后,对水溶液中P b(I I)的去除能力显著增强;Z h a n g等2 0成功合成了磁性N i M g(OH)2纳米复合材料,其对目标金属的首次去除效率几乎为1 0 0%,并 且 经 过5次 循 环 后,吸 附 容 量 仍 保 持在9 5%.粘土矿物作为一种广泛存在天然矿物,其主要为层状硅酸盐结构,由一个或两个二氧化硅四面体围绕八面体铝片组成层状结构单元2 1,具备复杂多孔结构和较高比表面积,可与溶解物质发生强烈的物理、化学相互作用2 2,2 3.通常情况下,粘土矿物去除水体中重金属的方式一般有两种:一是离子交换作用;二是与表面的硅氧基团和铝氧基团与重金属离子 形成配合物2 4,2 5.海 泡 石(M g8S i1 2O3 0(OH)4(H2O)48 H2O),是一种多孔纤维状水合硅酸镁,由两个四面体二氧化硅中间夹着一个八面体氧化镁组成的层链状结构2 6,从而具备较大的比表面积和孔体积,由于其特殊的纳米棒状形态,海泡石在环境修复中常被用作金属离子的吸附剂2 7,2 8.然而,天然海泡石对重金属的去除容量较低,限制了其在重金属去除中的应用,通过不同的物理、化学等手段对海泡石改性,能够一定程度上提高其对重金属处理的性能.例如,X u等2 9使用水热反应改性海泡石,发现合成的海泡石/-F e O OH催化剂在一定p H范围内对C r(V I)的光还原具有很好的催化性能;X i e等3 0利用羟基铁结合酸碱改性海泡石去除水和土壤中的C d,在2 9 8K时,吸附量提升为2 2 0.9m g/g.此外,由于海石体积小、密度低,从水溶液中难于分离.当外界环境发生改变时,吸附了重金属的海泡石容易再次释放重金属造成二次污染.因此,如何有效分离环境中的吸附材料是促进纳米吸附材料应用的重要课题.近年来,磁性吸附剂由于使用后易于分离,其应用受到了广泛的关注3 1,3 2.在环境