水合硅酸钙的制备及其去除废水中铜离子和罗丹明B的研究
清洁的水资源是人类赖以生存的基础。然而城市化、工业化、人口快速增长以及对水资源的滥用，使水受到了严重污染。废水中的有机污染物、重金属离子等对人体具有毒性、致癌性和致突变性，排放前必须经过处理，达到排放标准才可排放。因此，开发适宜的材料去除污染物从而净化水质尤为重要。水合硅酸钙（CSH）表面存在大量羟基且具有较强的离子交换能力，可以作为良好的吸附剂；铜具有高丰度、低成本、溶解度大、二次污染小的特点，并且具有显著的催化过氧化氢降解有机污染物的性能。本论文首先选择CSH作为吸附剂去除废水中重金属离子Cu2+，然后对吸附Cu2+的CSH（CSH-Cu）通过简单加热活化为高效催化H2O2降解罗丹明B（RhB）的催化剂。考察CSH-Cu对降解RhB的催化性能，综合利用CSH和Cu2+，并考察了材料的可重复使用性和去除RhB的机理。主要研究结果如下： （1）采用化学沉淀法制备CSH，并对CSH的结构和形貌进行表征。结果表明：CSH呈现片状形貌，比表面积为632.2m2·g-1，平均孔径为3.8nm。在CSH中[SiO4]4-四面体结构主要是以Q2的形式存在。CSH对Cu2+具有较高的吸附容量。当温度为25℃，溶液pH值为7，Cu2+浓度为150mg/L时，CSH对Cu2+的吸附容量为558.65mg/g。pH为7时，CSH中的羟基与H+的质子化作用较弱，更多的自由羟基基团与Cu2+配位，呈现出最佳的Cu2+吸附性能。CSH对Cu2+的吸附过程是由化学吸附作用控制，是均匀的单分子层表面吸附，吸附容易进行。吸附热力学数据表明，吸附过程中需要吸收外界热量，是一个吸热反应，吸附过程中熵增加，系统的混乱度增加。CSH对Cu2+的吸附作用表现在：CSH可以通过物理吸附，将Cu2+负载到CSH材料的表面；在水溶液中，CSH产生Ca2+和OH-，通过离子交换，Cu2+占据了Ca2+的位置，同时Cu2+会与OH-结合形成Cu(OH)2负载在吸附剂CSH的表面；CSH中的Si-O基团和-OH基团都与Cu2+发生了配位作用。CSH是通过吸附、离子交换、沉淀、表面配位的方式去除Cu2+。CSH循环3次后对Cu2+的去除百分比下降到35.4%。吸附剂循环性能较差的原因是洗涤仅去除了物理吸附的Cu2+，而化学吸附的Cu2+不能通过简单洗涤去除。 （2）回收利用吸附完Cu2+的CSH，通过加热活化处理，使其转化为催化H2O2降解RhB的催化剂。分析不同条件对CSH-Cu催化H2O2降解RhB性能的影响。催化剂CSH-Cu可在较宽pH条件下实现对RhB的降解，并且遵循准一级反应动力学。重复性实验表明，催化剂CSH-Cu具有出色的可重复使用性。循环5次后，240min时对RhB的降解率仅下降了6.30%。降解率下降的原因是CSH-Cu吸附了一部分RhB及其降解过程中的中间体，掩盖了CSH-Cu的活性中心，降低了催化反应活性。自由基捕获实验表明催化剂表面产生的·OH、·O2-和空穴（h+）均在降解过程中起作用，且h+的贡献最大。基于RhB的紫外-可见光谱进行分析可知，降解RhB的过程中同时存在脱乙基作用和羟基化作用。 综上所述，合成的CSH对Cu2+表现出良好的吸附性能。综合利用的催化剂具有较好的催化H2O2降解RhB的性能。这种从吸附剂到催化剂的综合策略可以实现固体废弃物的再利用，既环保又高效。
废水处理;水合硅酸钙;罗丹明B;催化降解;可重用性
吉林大学
硕士
物理化学
程铁欣
2023
中文
O647.33;O643.36;X703
2023-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）