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磁性碳基复合材料对水中有机染料与重金属离子的吸附去除研究

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 水体污染物来源与分类

1.3 有机染料与重金属离子污染及其危害

1.4 水中有机染料及重金属治理方法的进展

1.5 吸附去除法

1.6 吸附剂的发展及研究现状

1.7 磁性碳基复合吸附剂

1.8 论文设想

第二章 磁性碳微球用于亚甲基蓝染料去除及其再生、再利用

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论部分

2.4 本章小结

第三章 磁性氧化石墨烯去除三苯甲烷类染料的研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 磁性竹基炭对 Pb2+、Cd2+与 Cu2+吸附去除的研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 磁性氧化石墨烯、磁性竹基炭对铬(Ⅵ)的吸附研究

5.1 前言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

参考文献

6.1 结论

6.2 展望

致谢

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摘要

本文制备并表征了3种磁性碳基复合材料,并将其用于水中的几种有机染料和重金属离子的吸附去除研究。包括磁性碳微球吸附去除亚甲基蓝、磁性氧化石墨烯复合材料吸附去除孔雀石绿、磁性竹基炭材料吸附去除 Pb2+、Cd2+和 Cu2+以及磁性氧化石墨烯复合物与磁性竹基炭材料吸附去除 Cr(Ⅵ)的比较。论文分别研究了这些磁性复合材料的吸附影响因素、吸附性能以及吸附机理。本论文主要的研究结果如下:
  (1)制备、表征了包覆有磁性 Fe3O4纳米粒子的碳微球(记作 Fe3O4@C),并且将其用于水溶液中有机染料的去除。选择亚甲基蓝(MB)作为典型有机染料,用来评价 Fe3O4@C的吸附、再生以及再利用性能。结果表明,制备的Fe3O4@C显示了对 MB良好的吸附性能,而其中的磁性 Fe3O4仅仅帮助了吸附后的分离,并不参与对 MB的吸附。达到吸附饱和后,吸附剂被磁性分离,用酸萃取、微波辐照和热解法尝试对使用后的吸附剂进行再生。其中,微波辐照再生方法,吸附剂可以持续16次吸附/再生循环,其再生能力仍能保持90%以上。研究表明:MB在初始的Fe3O4@C上和再生后的Fe3O4@C上的吸附都遵循 Langmuir等温模型和准二级动力学速率模型。温度为323K时,在 Langmuir等温式中再生16次的与初始的Fe3O4@C的最大吸附量分别为476.5mg/g和694.4mg/g。吸附剂再生后,吸附量降低,但吸附速率上升了。获得的Fe3O4@C具有高的吸附量、好的再使用能力,它将成为有前景的、可行的吸附剂替代品。
  (2)以氧化石墨烯(GO)为原料,采用硫酸亚铁和氯化铁共沉淀的方法制备出氧化石墨烯与纳米 Fe3O4复合的磁性材料——磁性氧化石墨烯(GO/Fe3O4)。采用孔雀石绿(MG)作为典型的吸附对象,研究了此材料对三苯甲烷类有机染料的吸附特性。实验探究了材料中 GO含量对于吸附的影响,而且分析了pH值和温度因素引起的吸附行为的变化。结果表明,吸附动力学符合准二级动力学速率方程;对比 Langmuir和 Freundlich两种等温吸附模型,吸附过程更加符合 Freundlich等温吸附模型,进一步说明了GO/ Fe3O4具有不止一种活性位点的非均匀的镶嵌复合结构。该吸附剂能在80℃水浴条件下脱附再生。
  (3)使用微波辐照技术,以枯竹子为碳源制备了磁性竹基炭(MBC)并用于重金属离子 Pb2+,Cd2+与 Cu2+的吸附去除研究。分析了吸附条件包括吸附时间、pH值、离子强度以及初始金属离子浓度等对吸附的影响,讨论了MBC对三种金属离子的吸附特性与吸附机理。结果表明,金属离子在 MBC上的吸附符合 Langmuir等温模式和准二级动力学吸附过程;吸附的机理可归结为金属阳离子与 MBC上的H+之间的离子交换作用,且吸附能力可能与金属离子半径有关,呈现出Pb2+>Cd2+>Cu2+的趋势。
  (4)研究了磁性氧化石墨烯(GO/Fe3O4)和磁性竹基炭(MBC)对六价铬的吸附作用,并对这两种吸附作用进行了比较。根据 SEM形貌分析,吸附剂 MBC具有与 GO/Fe3O4相似的薄片层结构,能为六价铬的吸附提供了大量的吸附位点。对于吸附剂 GO/Fe3O4,其优化的吸附条件是平衡吸附时间为50分钟,pH为1,温度30℃。而对于吸附剂 MBC,除平衡吸附时间增加为85分钟外,其它优化条件与吸附剂 GO/Fe3O4相同。两种磁性材料对六价铬的吸附均能很好的符合 Langmuir等温模型以及准二级动力学速率方程。吸附的机理都可以解释为酸性介质中GO/Fe3O4和 MBC表面含有的-COOH、-OH与 HCrO4-之间的氢键作用。

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