ZnAl-LDH_Al%28OH%29_%283%29复合材料的制备及其对废水中Pb%5E%282%2B%29的去除性能.pdf

第40 卷第3期2023年6 月D0I:10.13482/j.issn1001-7011.2021.06.138黑龙江大学自然科学学报JOURNAL OF NATURAL SCIENCE OF HEILONGJIANG UNIVERSITYVol.40No.3June,2023投稿网址：https:/ZnAI-LDH/AI(OH)3复合材料的制备及其对废水中 Pb2+的去除性能赵鹤翔，李明昕，王艳，引（1.东北林业大学材料科学与工程学院生物质材料科学与技术教育部重点实验室，哈尔滨150 0 40；2.黑龙江大学化学化工与材料学院功能无机材料化学教育部重点实验室，哈尔滨150 0 8 0；3.哈尔滨市疾病预防控制中心（哈尔滨市卫生检验检测中心），哈尔滨150 0 56）摘要：利用共沉淀法，以Zn（NO，）2 和Al(NO,），为原料成功制备了锌铝复合材料ZnAl-LDH/Al（O H)，（标记为ZAL/AH），采用SEM表征了ZAL/AH的形貌，利用FT-IR、XPS和XRD分析了样品的结构及组成。结果表明,所制备的ZAL/AH为片状结构,相组成受投料比的影响。其中,ZAL/AH-1具有高的比表面积,达到8 2.7 mg。同时，利用所制备的复合材料ZAL/AH对水中的Pb2+离子进行了吸附实验,ZAL/AH-1对Pb2+的去除率能够达到95%。对吸附结果进行了吸附动力学、reundlich 和 Langmuir 模型拟合,Langmuir 拟合计算得到的最大吸附量为 143.3 mg g。关键词：吸附；层状双金属氢氧化物；共沉淀法；Pb2*；A l(O H)3中图分类号：0 6 14.35张继国，郭元茹，潘清江文献标志码：A文章编号：10 0 1-7 0 11(2 0 2 3)0 3-0 2 8 3-0 8Fabrication of ZnAl-LDH/Al(OH);composite and its Pb2removal property from wastewaterZHAO Hexiang，LI M i n g x i n ，W A NG Ya n，ZH A NG Ji g u o ,GUO Yuanru,PAN Qingjiang(1.Key Laboratory of Bio-based Material Science&Technology,Ministry of Education,College of Material Science andEngineering,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China;2.Key Laboratory of Functional Inorganic Material Chemistry,Ministry of Education,School of Chemistry and Materials Science,Heilongjiang University,Harbin 150080,China;3.Harbin Center for Disease Control and Prevention(Harbin Center for Health Examination),Harbin 150056,China)Abstract:The composite of ZnAI-LDH/Al(OH);(marked as ZAL/AH)was successfully prepared usingco-precipitation method from the mixture of Zn(NO,)2 and Al(NO,)3.Samples were characterized bySEM,FT-IR,XPS and XRD,and the morphology,structure and components of ZAL/AH were analyzed.The results showed that ZAL/AH had lamellar structure,and its phase composition was determined by thefeeding molar ratio of Zn(NO,)2 and Al(NO,)3.The prepared ZAL/AH-1 had large specific surface areaof 82.7m g-.Meanwhile,the experiments of up-taking of Pb2+were also carried out.The removalefficiency toward Pb2+could reach 95%in the case of ZAL/AH-1.Kinetic models,Freundlich and Langmuir收稿日期：2 0 2 1-0 4-0 1基金项目：黑龙江省自然科学基金（C2018006）；黑龙江省大学生创新创业训练计划（2 0 2 110 2 2 52 2 6）通讯作者：郭元茹（197 5-），女，教授，博士，主要研究方向：纳米材料设计合成，E-mail：g u o y r n e f u 16 3.c o m潘清江（197 6-），男，教授，博士，博士生导师，主要研究方向：纳米材料理论计算，E-mail：p a n q j i t c 16 3.c o m引文格式：赵鹤翔，李明昕，王艳，等.ZnAI-LDH/AI(OH)3复合材料的制备及其对废水中Pb2+的去除性能J黑龙江大学自然科学学报，2 0 2 3,40(3)：2 8 3-2 9 0.284models were used to fit the adsorption process.The Langmuir model was found more suitable to describethe removal process,where the calculated maximum adsorption capacity was 143.3 mg gl.Keywords:adsorption;layered double hydroxide;co-precipitation;Pb2+;Al(OH)3黑龙江大学自然科学学报第40 卷0 引言随着我国工业化的蓬勃发展，在工业产量迅速增加的同时，工业废水的排放量也持续增加，其中以水体重金属污染情况最为严峻。环境安全问题关系到一个地区乃至一个国家和民族的可持续性发展。相关调查显示,水体重金属污染的元素主要有Pb、Cd 和Cu等,且重金属存在形式多样1。重金属被排放到水体中后,无法被水体中的微生物降解，从而对水体造成了严重的危害。重金属治理方法包括沉积法、多元复合凝絮沉降方法、硅微囊技术和吸附技术等。如采用加入中和性试剂、硫化剂或者采用电解的方法，使重金属离子生成氢氧化物或硫化物沉淀,进而达到分离的目的2-3。层状双金属氢氧化物（Layer double hydroxides，LD H s）是一种二维层状化合物，由于自身的结构特点，作为吸附剂去除水体中的重金属离子具有良好的效果。LDHs的通常表示形式为M+,M3+（O H)2*+（A -）/n mH,O，其中M2*和M3+分别代表二价金属阳离子（Ca+、M g*、Zn 2+、M n*和Ni2+等）和三价金属阳离子（A13+、Fe 3+和Cr3+等）,A-代表n价阴离子（Cl-、NO；和CO-等）。这种化合物具有层状的空间结构，类似于矿物材料水镁石（Mg（O H)2）4),同时兼具金属阳离子种类、M2+与M3+的物质的量比以及阴离子（A-）种类等可调的特点，进而导致层间距和层间阴离子不同，被广泛应用于污水处理。其中，锌铝类水滑石（Zn/Al-LDH）因其价格低廉、环境友好和对OH-的缓释作用,被应用于医药领域,可以调节胃部的pH；当应用于污水处理时,Zn/A1-LDH能够有效吸附致使水体富营养化的磷酸根以及工业废水中包含的重金属离子(US+、Cr s+、A s 4+和Cu+等）。而Al(OH)；也是一种环境友好材料，其性质与Zn/Al-LDH相似，当用作药物治疗胃病时,可以转化为对人体无害的 AICl,而排出体外。由于富含 OH-，A 1(O H)，可以缓释OH,吸附和沉积重金属离子5-6 。因此,可将 Al(OH);与Zn/A1-LDH结合,利用两者协同作用吸附污水中的 Pb2。本文以共沉淀法制备了Zn/AI-LDH/Al(OH)3,利用LDH片层结构构建的大比表面积和Al(OH);对重金属的吸附作用,协同处理废水中的Pb2+为工业废水中重金属离子的处理提供了新的可行方法。1材料及方法1.1实验试剂Zn（NO，）2 6H,O和Al(NO,）；9H,O购于天津市巴斯夫化工有限公司,NaOH和Na,CO,购于天津市天力化学试剂有限公司,均为分析纯。除特殊说明外，实验用水均为去离子水。1.2测试与表征产物的形貌采用日本Hitachi公司的S-4800型扫描电子显微镜（Scanning electronmicroscope，SEM）进行观察；样品的官能团采用美国Perkin Elmer公司的Fourier型傅里叶变换红外（Fourier transform infrared，FT-IR）光谱仪进行分析；样品的结构利用日本Rigaku公司的D/max-RC型粉末X射线衍射仪（X-raydiffractometer，XRD）来测定；X-射线光电子能谱（X-rayphotoelectron spectroscopy，XPS）由美国Thermo公司的ESCALAB型XPS仪测定;Pb2+浓度利用美国PerkinElmer公司的AASPinAAcle900T型原子吸收光谱仪测定；采用TriStar30 2 0 型比表面仪进行N，吸附脱附实验，测定样品的比表面积。1.3制备方法取3.3gZn（NO，）2 6H,0和4.2 gAl(NO，）：9H,O分别溶于2 0 mL去离子水中后混合，制得A溶液。取1.8 gNaOH和1.4gNazCO,溶于40 mL去离子水，得到B溶液7 。在6 0 恒温水浴搅拌的条件下,向B溶液中缓慢滴加A溶液,用浓度为1molL-1的NaOH溶液调节pH,使pH维持在10 11。滴加完毕后，在6 0 条件下搅拌反应1h,超声振荡30 min，陈化2 4h,陈化分为两个阶段：恒温水浴振荡陈化6 h，常温静置陈化18 h。离心,洗涤至中性，干燥,研磨得到ZAL/AH。改变Zn(NO）,和Al(NO3）3的投料摩尔比，当其投料摩尔比为1:1、2:1、3:1和4:1时，所制备的产物分第3期别记为ZAL/AH-1、ZA L/A H-2、ZA L/A H-3和ZAL/AH-4。1.4吸附试验称取50 mgZAL/AH置于Pb2+离子溶液中，在2 5下振荡2 4h,取样并测量溶液中Pb2+离子浓度，计算吸附剂对Pb2+的吸附量：(1)m采用准一级动力学方程和准二级动力学方程对吸附动力学过程进行拟合：ln(Q。-Q,)=l n Q。-k j tt1t式中：Q,为ZAL/AH在t时刻的吸附量（mgg）;Q。为ZAL/AH的平衡吸附量（mgg-）；k i 为吸附的一级速率常数(min）;k,为吸附的二级速率常数(gmgmin)。采用Langmuir吸附等温式和Freundlich吸附等温式对吸附过程进行拟合，其公式为：赵鹤翔等：ZnAl-LDH/Al(OH)，复合材料的制备及其对废水中Pb2+的去除性能285(Co-C.)V(2)(3)Ce1C十(4)ZAL/AH-4InQ.=Ink+lnc.式中：Q。为吸附量（mgg-）；Q m为饱和吸附量（mgg）;b 为吸附系数；C。为与Q。相对应的平衡浓度（mg L-）;K 为吸附系数的常数;n 为吸附强度的常数。2结果与讨论2.1XRD和FT-IR分析利用XRD测试了所制备的ZAL/AH-1、ZA L/A