高锰酸钾改性中空硅球的制备及其去除水中锑(Ⅲ)的研究

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随着锑矿的开采以及对含锑产品的需求和使用日益增多,不可避免地导致锑进入环境中,尤其是锑矿矿区及其周围的水体、大气和土壤等受到的污染比较严重。进入环境中的锑可能经过迁移转化以及食物链循环富集后被人体所吸收,对人类的健康具有潜在的威胁。目前,去除水中锑的方法有很多,其中吸附法由于其运行成本低、处理效果好、适用范围广等优点而被广泛应用。吸附剂的种类繁多,中空二氧化硅微球(HSS)作为一种无毒且具有生物相容性的无机材料,独特的空腔多孔结构赋予了比表面积大,孔体积大等优势,并且表面富含羟基,易于进行功能化改性,从而被广大学者研究用于吸附去除水中污染物。因此本论文选取HSS作为吸附剂,结合现有的研究成果,采用两步法制备HSS,并与双模板法进行了对比。研究了氨水浓度、水解时间、搅拌速度对HSS形貌及粒径的影响,实现通过改变合成工艺的条件参数来控制其形貌,并获得粒径可控单分散中空二氧化硅微球的最佳合成工艺参数。在此基础上使用高锰酸钾溶液对中空二氧化硅微球进行改性,采用静态吸附实验研究了吸附剂投加量、溶液初始pH值、吸附时间、初始浓度等条件对改性前后中空二氧化硅微球吸附去除水中Sb(Ⅲ)的影响,并从动力学和吸附平衡角度分析了吸附剂除Sb(Ⅲ)的吸附过程。主要研究结果如下:1.从产物形貌和性能考虑,两步法和双模板法都能在不同范围内控制产物粒径,两种方法分别可将硅球粒径控制在微米级别和亚微米级别。而两步法合成的硅球球形度更好、比表面积更高,纯度也更高;从合成工艺和成本角度考虑,两步法合成周期更短、过程更简单、更为经济。2.当苯基三甲氧基硅烷水解时间在35min之间能获得呈规整球形的二氧化硅微球且微球平均粒径随水解时间的增加而减少。氨水浓度在2.11 mol/L2.90mol/L范围内,随氨水浓度的増加微球平均粒径先是逐渐增加,当氨水浓度达到一定值时(2.47mol/L),微球平均粒径开始减小。在转速为260rpm时产物形貌最佳,具有规则球形,粒径大小均匀,而其他转速下难以保证产品的外形规则和窄的粒径分布。3.采用KMnO4改性后的中空二氧化硅微球(KMnO4/HSS)表面含氧官能团数量增加,并在一定程度上提高了对Sb(Ⅲ)的吸附能力。HSS和KMnO4/HSS对水中Sb(Ⅲ)的吸附实验结果表明:在pH为310之间,随着pH的增加吸附效果显著降低;在初始浓度为0.43mg/L的100mL溶液中去除率随着吸附剂投加量的增加而增大;吸附时间t为2h左右,基本达到吸附平衡状态,去除率不再明显增加。HSS和KMnO4/HSS对水中Sb(Ⅲ)的吸附过程更符合Langmuir等温线模型,由该模型拟合得出HSS和KMnO4/HSS的理论饱和吸附容量分别为33.43mg/g和37.04mg/g。动力学研究表明,HSS和KMnO4/HSS对Sb(Ⅲ)的吸附过程更符合准二级动力学模型。
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