【摘要】：地表水和地下水系統(tǒng)中的有機污染物嚴重危害了水生態(tài)系統(tǒng)以及人類健康。近年來,隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)、人類生活排放大量的污染物進入環(huán)境中,在有機污染物的去除方面進行了大量的研究。吸附法因其高效、廉價、操作簡單、對環(huán)境友好等優(yōu)勢而被廣泛應用。傳統(tǒng)吸附材料最大的缺點就是在實際水處理過程中去除效率低、有限的回收利用率。因此開發(fā)新型的應用范圍廣、去除效率高的吸附材料非常重要。本文設計合成了四種以鎂鐵水滑石為基材的有機/無機復合吸附材料,系統(tǒng)研究了四種吸附材料分別對不同有機污染物的吸附性能,深入探討了不同吸附材料分別對不同污染物的吸附機制,具體研究成果如下:1)利用共沉淀法,制備了殼聚糖基鎂鐵水滑石煅燒材料(CSLDO),避免單一水滑石的團聚,具備較大的比表面積和吸附容量。分別采用物理和化學的分析方法對CSLDO進行表征,同時用于去除溶液中的甲基橙(MO)和四環(huán)素(TC)。結果表明合成過程中首先形成納米顆粒,然后聚集形成多孔和層狀交錯的結構。殼聚糖基鎂鐵水滑石在400℃下煅燒的產(chǎn)物(CSLDO400)具有最大的比表面積(116.98 m~2 g~(-1))和孔體積(0.411 cm~3 g~(-1));CSLDO400在pH=5-9時對MO具有最大的吸附容量,在pH為9時對TC吸附最佳;二價和三價陰離子對吸附過程影響較大,而一價陰離子對吸附過程基本沒有影響;吸附動力學表明MO和TC的吸附過程均遵循準二級動力學模型;MO吸附等溫線與Langmuir模型的契合度較高,TC的吸附等溫線與Freundlich模型的契合度較高,MO和TC在298K溫度下的最大單分子層吸附量分別約為1266.42和195.31 mg g~(-1);吸附過程均是自發(fā)的吸熱過程;進行五次吸-脫附實驗后,CSLDO400仍保持較高的穩(wěn)定性。吸附機理主要是水滑石層間離子的離子交換,以及鎂鐵金屬混合氧化物在恢復水滑石原始的層狀結構過程中嵌入陰離子形式的MO和TC分子。2)利用水熱合成法,以g-C_3N_4為基材成功制備了g-C_3N_4@Mg-Fe LDH復合材料,并利用腐殖酸(HA)對其表面進行了改性。通過TEM、SEM、XRD、BET、TGA、FT-IR、XPS等技術對HA改性的g-C_3N_4@Mg-Fe LDH復合材料(g-C_3N_4@Mg-Fe LDH/HA)進行了表征。SEM結果表明g-C_3N_4@Mg-Fe LDH/HA具有明顯的層狀結構,且表面成功負載有大量的HA。g-C_3N_4@Mg-Fe LDH/HA對四環(huán)素(TC)、2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)和草甘膦(GP)的吸附實驗結果顯示:負載HA的g-C_3N_4@Mg-Fe LDH中的HA濃度為100 mg L~(-1)時,對TC、2,4-DCP和GP的吸附容量相對較高;吸附TC的最佳pH范圍是7~9,2,4-DCP和GP的吸附的最佳pH范圍是3~9;溶液中離子強度對g-C_3N_4@Mg-Fe LDH/HA100的吸附容量影響有限;TC、2,4-DCP和GP的吸附過程均與準一級動力學模型的契合度更高;TC和GP的吸附數(shù)據(jù)更適合利用Freundlich等溫吸附模型進行擬合,而2,4-DCP的吸附過程與Langmuir等溫吸附模型的契合度更高;TC、2,4-DCP和GP的吸附過程均是自發(fā)的吸熱過程。吸附機理主要是水滑石層間離子交換以及HA表面的各種基團與有機污染物之間產(chǎn)生的表面絡合和氫鍵作用。3)利用共沉淀法和熱合成法,合成了g-C_3N_4基多孔聚酰亞胺(g-C_3N_4@PI),并以此為基礎制備了g-C_3N_4@PI@Mg-Fe LDO有機/無機復合吸附材料。分別采用TEM、SEM、XRD、BET、TGA和FT-IR、XPS等表針手段的分析了復合材料的物理和化學性能。SEM和BET的分析結果顯示g-C_3N_4@PI顯著改變了Mg-Fe LDH的的表面形態(tài)、比表面積。g-C_3N_4@PI@Mg-Fe LDO對TC、2,4-DCP和GP的吸附結果顯示:g-C_3N_4@PI@Mg-Fe LDO在較廣的pH范圍內對TC、2,4-DCP和GP均具有較好的吸附性能,最佳pH范圍分別為7~9,3~9和9;離子強度和HA對吸附過程的影響都比較有限;吸附動力學表明TC和GP的吸附過程與準二級動力學模型契合度高,而2,4-DCP的吸附過程更適合遵循準一級動力學模型;TC、2,4-DCP和GP的吸附實驗數(shù)據(jù)均更加適合利用Freundlich等溫吸附模型進行擬合,三種污染物在298K溫度下的最大單分子層吸附量分別約為154.8、170.36和197.63 mg g~(-1);吸附過程均是自發(fā)的吸熱過程;進行五次吸-脫附實驗后,g-C_3N_4@PI@Mg-Fe LDO仍保持較高的穩(wěn)定性和可重復性。吸附機理主要是水滑石層間離子交換以及PI與有機污染物之間產(chǎn)生的氫鍵和表面絡合作用。4)利用共沉淀法和熱合成法,成功制備了一種新穎的在Fe_3O_4表面涂層多孔聚酰亞胺(PI)和水滑石(LDH)的核殼結構的磁性PI@LDO復合材料。通過TEM、SEM、XRD、BET、TGA、FT-IR、XPS以及磁性測量等技術對磁性PI@LDO進行表征。其結果表明磁性PI@LDO復合材料具有明顯的核殼結構,且表面展示出類似花瓣狀的形態(tài),比表面積較大(154 m~2 g~(-1))。磁性PI@LDO還被用于去除溶液中的TC、2,4-DCP和GP。TC和GP吸附的最佳pH范圍是5~9,2,4-DCP吸附的最佳pH范圍是3~7;溶液中存在的腐殖酸對磁性PI@LDO的吸附容量影響有限;TC和GP的吸附過程與準二級動力學模型的契合度更高,而2,4-DCP的吸附過程更適合利用準一級動力學模型進行擬合;TC和2,4-DCP的吸附數(shù)據(jù)更適合利用Freundlich等溫吸附模型進行擬合,而GP的與Langmuir等溫吸附模型的契合度更高;TC、2,4-DCP和GP的吸附過程均是自發(fā)的吸熱過程;在吸附再生實驗中,磁性PI@LDO顯示出優(yōu)越的可重復性和穩(wěn)定性。吸附機理主要是水滑石層間離子交換以及PI與有機污染物之間產(chǎn)生的氫鍵和表面絡合作用。
【圖文】：

圖 1.1 聚酰亞胺結構性納米材料年來，越來越多的研究者開始研究磁性納米顆粒（MNP），并將其理中分離污染物[101]。磁性納米顆粒能夠在外磁場的作用下簡單、快收，因此引起了許多研究者的注意，并設計合成了許多新穎的磁性目前合成 Fe3O4以及以 Fe3O4為核心改性的磁性納米復合材料的方主要包括水熱和溶劑熱法、沉淀法、微乳液法和溶膠-凝膠法。再合構的納米復合材料時，磁性的核層有許多種，主要包括鐵鈷氧體[103]以及 Fe3O4[105-107]，，其中以 Fe3O4為殼層的磁性納米復合材料的研究近，研究人員對一步熱合成法對 Fe3O4進行改性并保持良好的磁學性ng Chen 等[109]合成了一種新穎的多級孔道結構的 Fe3O4@MgAl-LD料，并研究了其吸附廢水中有機染料的性能，結果顯示合成的磁性均勻的垂直/水平的血小板形態(tài)，且對剛果紅的最大吸附容量達到

狀結構[112]（如圖1.2）。水滑石結構中許多二價金屬離子與三價金屬離子之間同晶置換，在層狀框架中產(chǎn)生了大量的剩余正電荷，這使得大量的陰離子和水分子置于層間來平衡剩余正電荷[113, 114]。水滑石和類水滑石的化學通式為[Mx2+My3+(OH)2(x+ y)]Ay / nn ·mH2O，其中M2+代表二價金屬離子，如Zn, Mg, Cu, Co, Ni 等；M3+代表三價金屬離子，如Al, Fe, Cr等；An 代表可交換的電荷補償無機或有機陰離子。m是水滑石化合物中含水的摩爾數(shù)，y是水滑石化合物中M3+的摩爾分數(shù)。水滑石和類水滑石所具有的的層狀空間和大量的可交換陰離子，使其非常適合作為離子交換提和吸附材料而使用。近年來，研究人員根據(jù)水滑石和類水滑石獨特的結構分別將其作為催化劑載體、催化劑、吸附劑[115]、離子交換劑[116-118]進行了大量的研究。水滑石及類水滑石合成一般只利用一種二價金屬離子（Mg2+、Fe2+、Ni2+等）和一種三價金屬離子（Al3+、Cr3+、Mn3+、Fe3+等）作為雙金屬離子來源。而隨著水滑石的深入
【學位授予單位】：中國地質大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB33;O647.3

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本文編號：2667226