二氧化锰纳米材料的制备及其吸附低浓度铵离子性能的研究
水中过量NH4+的存在影响着水生生物的生长和繁殖，也造成了水质的恶化，因此除去水中的NH4+意义重大。在将污水处理厂出水标准由“一级A”向“Ⅲ类水”提质的过程中，离子交换法深度脱铵展现了去除彻底、受温度影响小、循环利用率高等优点。本论文以离子交换法为基础，分别制备了α-MnO2、β-MnO2、δ-MnO2，首次系统研究了三种晶型的MnO2材料对低浓度NH4+的吸附，提出铵吸附材料的新思路，实现了对NH4+的高效、快速吸附。 本文首先采用水热方法利用不同的前驱体制备了α-MnO2和β-MnO2，研究了其在40mg·L-1NH4+-N溶液中的吸附性能。结果表明以KMnO4为前驱体制备的α-MnO2对NH4+有11.86mg·g-1的吸附量，β-MnO2对NH4+几乎没有吸附量，这是由于α-MnO2中大小为4.6(A)的[2×2]隧道能够容纳NH4+而β-MnO2中大小为1.89(A)的[1×1]隧道无法容纳NH4+的缘故。 其次，本文利用高温氧化热解MnCO3的方法制备了δ-MnO2，对热解法的温度、锰钠比、升温速率、时间四个因素进行了优化，得到了吸附量高达21.64mg·g-1的δ-MnO2材料。δ-MnO2吸附量高的原因可以归结于7.2(A)的层间距适合容纳NH4+和水合NH4+。在Mg2+，Ca2+，Na+和NH4+的共存溶液中，δ-MnO2依然对NH4+有一定的选择性。通过检测吸附前后溶液中的离子浓度，证实了三种晶型MnO2材料吸附NH4+的过程为离子交换机理。 在上述工作的基础上，我们以KMnO4为前驱体，利用原位氧化还原方法在石墨毡基底上构建了三维空间内纵横交错的δ-MnO2纳米片，制备了MnO2NPs/GF复合材料。通过XRD、SEM、XPS、TEM等手段对材料的晶体结构、纳米形貌、元素组成、价态等进行了表征分析，并对前驱体浓度和制备时间进行了优化。在KMnO4浓度为4g·L-1，制备时间为5h的条件下，得到的MnO2NPs/GF具有高吸附量(15mg·g-1)的同时具备快速吸附能力，体现在吸附开始前3min吸附量就达到平衡吸附量的87.5％。20次的循环吸附-脱附实验后MnO2NPs/GF依然保持高达89.72％的去除率，表明其良好的再生性能。MnO2NPs/GF对NH4+的吸附过程符合准二级动力学吸附方程，对NH4+的等温吸附过程符合Langmuir吸附等温式。鉴于一体化MnO2NPs/GF多级结构材料的实用性，我们最后进行了模拟透过式吸附实验。在停留时间短，通量高的条件下MnO2NPs/GF可将NH4+-N浓度从40mg·L-1降低到2.52mg·L-1，而由粉末δ-MnO2外加粘结剂压制成型的材料只将样品溶液中氨氮浓度降低到36.56mg·L-1。这主要是MnO2NPs/GF中交错的δ-MnO2纳米片所展现的巨大的比表面积增大了与溶液的接触机会以及石墨毡本身高的孔隙率减小了对大通量水的阻碍，二者协同作用，使MnO2NPs/GF展现了快速吸附的优良特性。
纳米材料;二氧化锰;低浓度铵离子;污水处理;吸附性能
北京化工大学
硕士
化学
万平玉
2018
中文
X703.5;O647.3
2023-07-10（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）