整体式LDH纳米片阵列/三聚氰胺海绵的制备及水环境修复应用研究
快速的工业化进程大幅度提高了人们的生活质量，但同时也造成了严重的废水污染问题，特别是电镀、印染、制药等工业过程产生大量含有重金属离子和芳香硝基化合物的废水。尤其是，六价铬(Cr(Ⅵ))和4-硝基苯酚(4-NP)都具有致癌性、高毒性和难降解性，对生物和生态系统造成了严重的威胁。因此，开发简便、高效去除Cr(Ⅵ)和4-NP的方法已成为研究的重点。三聚氰胺海绵(MS)具有丰富的孔结构、低密度、低成本以及易于改性等优点，常作为构建新型吸附剂和催化剂的理想柔性骨架材料。本文以柠檬酸助水热共沉淀法分别制备了系列整体式水滑石(LDH)纳米片阵列结构吸附剂和催化剂，分别研究了其对水相中Cr(Ⅵ)的吸附性能和4-NP的催化还原性能。论文主要内容如下: (1)采用柠檬酸助水热共沉淀法制备了系列具有良好力学性能和亲水性的整体式柔性Mg基吸附剂Mg3Al-LDH/rGO/MS和Ni1.5Mg1.5Al-LDH/rGO/MS。系列整体式吸附剂的典型形貌特征为高度分散的超薄LDH纳米片(47～115 nm×8.4～11 nm)垂直交错生长于GO修饰的多孔MS骨架表面，形成类纳米片阵列结构。Langmuir等温模型较好地拟合了系列整体式吸附剂对Cr(Ⅵ)的吸附行为。结合准二级动力学模型、粒内扩散模型及D-R等温模型分析表明，吸附过程由化学吸附、粒内扩散以及物理作用共同控制。热力学研究表明吸附过程是自发、吸热和熵增的。Mg3Al-LDH/rGO/MS对Cr(Ⅵ)表现出最高理论吸附容量(55.8mg/g),与其最规整的均匀分散超薄纳米片阵列形貌所提供的最多、最均匀的吸附位点密切相关。Cr(Ⅵ)在整体式吸附剂Mg3Al-LDH/rGO/MS上的吸附机理可能是:1)带正电荷的吸附剂表面与带负电荷的HCrO4-物种间的静电吸引;2)LDH片层表面丰富的M-OH基团对Cr(Ⅵ)的吸附还原作用以及部分被还原的Cr（Ⅲ)物种通过同晶取代进入LDH层板。特别是，Mg3Al-LDH/rGO/MS不仅具有好的稳定性，且易于分离再利用，对Cr(Ⅵ)的5次循环效率是首次实验的84.0％。 (2)采用柠檬酸助水热共沉淀法制备了系列整体式柔性Cu基双过渡金属纳米片阵列结构催化剂Cu1.5Mn1.5Al-LDH/rGO/MS、Cu1.5Co1.5Al-LDH/rGO/MS和Cu1.5Ni1.5Al-LDH/rGO/MS。系列整体式催化剂均表现出优异的催化还原4-NP活性，特别是Cu1.5Mn1.5Al-LDH/rGO/MS不仅表现出最高的催化效率(kapp=0.172 s-1),而且具有最佳的循环稳定性，可归因于LDH层板晶格限域作用导致反应过程中原位生成的小尺寸Cu0/Cu+纳米粒(～4.11 nm)、Mn3+物种对Cu物种的电子修饰作用及Cu0/Cu+-CuMnAl-LDH-rGO三相协同效应。同时，整体式催化剂Cu1.5Mn1.5Al-LDH/rGO/MS在模拟固定床系统中对高浓度4-NP表现出超高的催化还原能力(TOF=320.9h-1),这得益于规整的纳米片阵列形貌赋予的高活性位点暴露率和柔性MS骨架材料在固定床体系中形成的低流动阻力。
废水处理;水滑石纳米片阵列;三聚氰胺海绵;制备工艺;吸附性能;催化还原性能
北京化工大学
硕士
化学
张慧
2023
中文
X703.5
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）