粘土矿物胡敏酸复合体对重金属的吸附——解吸机理研究

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本文以胡敏酸(humic acid,HA)为腐殖酸的代表,以高岭土和蒙脱石分别作为1:1和2:1型粘土矿物的代表,通过化学平衡反应制备粘土矿物-胡敏酸复合体,然后研究复合体对重金属离子的吸附解吸行为,以期揭示粘土矿物-胡敏酸复合体吸附重金属离子的机理,为解决环境中的重金属污染问题提供理论依据。论文的主要工作和结论如下: 首先研究发现胡敏酸在蒙脱石和高岭石表面的吸附主要以配位反应为主,同时也受阳离子键桥、疏水性作用和氢键等弱作用力。Zeta电位表明:吸附胡敏酸后,矿物表面负电荷量增加,电荷零点ZPC下降,能促进对金属阳离子的静电吸附。XRD图表明:胡敏酸分子很大,不足以插入粘土矿物的层间。FTIR图表明:羟基峰增强或减弱,说明粘土矿物和胡敏酸发生了化合键合。蒙脱石的羟基弯曲振动吸收峰变窄,表面由亲水性变成疏水性;而高岭石胡敏酸复合体中出现了有机物C-H振动的特征吸收。TG和DTG曲线表明:粘土矿物胡敏酸复合体失重率下降,疏水性增强,失重曲线向低温区偏移,说明胡敏酸影响着粘土脱去结构水和层间水的起始温度。 其次实验研究了蒙脱石-胡敏酸及高岭石-胡敏酸对铜、铬、镉的吸附解吸行为。结果表明:粘土对重金属离子的吸附解吸量都随pH值的升高而增加,但是解吸率则呈下降趋势。离子强度的增加造成吸附量减小。随重金属浓度的增加,粘土对金属离子的吸附解吸量也随之增加,但重金属离子的去除率却减小。当重金属离子的浓度达到一定时,吸附达到饱和,吸附量不再增加。各种粘土对重金属的吸附解吸速度非常快,吸附反应基本在20到30分钟就能达到平衡,解吸反应则基本上在1小时就能达到平衡。吸附等温线用Langmuir方程和Freundlich方程进行拟合,Langmuir方程的拟合效果更好,从qm可得知吸附容量大小排列次序为:蒙脱石-胡敏酸复合体>蒙脱石>高岭石-胡敏酸复合体>高岭石。蒙脱石-胡敏酸复合体动力学研究表明Elovich方程和双常数方程对各种离子吸附解吸的动力学过程拟合较好;高岭石-胡敏酸复合体动力学研究表明Elovich方程和-级常数方程对各种离子吸附解吸的动力学过程拟合较好。 最后对复合体吸附重金属后进行表征,XRD图谱表明蒙脱石胡敏酸复合体吸附Cu2+、Cd2+、Cr3+后由原土1.56nm分别变为1.63、1.60、1.64nm,与重金属离子与复合体发生离子交换吸附,高岭石胡敏酸复合体吸附重金属离子后层间距变化不显著。红外图谱也表明重金属离子和蒙脱石层间域离子发生交换,而与高岭石表面的-COOH发生了反应。蒙脱石-胡敏酸-Cr的XPS图谱,说明存在Cr,并和复合体上的羟基发生配位反应。
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