英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
采用不同金属化合物合成的核-壳分子筛/叠置双氢氧化物(LDHs)在构建的快速渗滤体系中提高了铬(VI)的去除性能
张向岭、俞雷、叶源、景田高、江银河、周莹徐、赵双杰
摘要
以三价金属化合物(FeCl3、AlCl3、CoCl3)和二价金属化合物(CaCl2、MgCl2、ZnCl2)为原料，在碱性条件下共沉淀法合成了9种LDHs，并将其原位包覆在沸石表面，合成了核壳沸石/LDHs复合材料。用扫描电镜和x射线荧光光谱对改性前后的沸石进行了表征。采用不同的核壳沸石/LDHs和原沸石基质，建立了快速渗滤系统(CRIS)模拟试验塔，对含六价铬(VI)的城市污水进行了处理。随后进行等温吸附试验。小型沸石的平均去除率远高于大型沸石。对于小型沸石，改性后的Mg - LDHs -和Al - LDHS基板对铬(VI)的去除率显著提高，达到90%以上。对核壳沸石/ zna - ldhs的去除率达到94.5%。同时，ZnAl-LDHs改性沸石的最大吸附能力可以达到51.0 mg/kg，说明ZnAl-LDHs涂层可以提高沸石的吸附性能。在纯化实验过程中，大部分改性后的沸石保持了对Cr(VI)去除的化学吸附能力。因此，小型核壳沸石/ ZnAl-LDHs复合材料可以作为CRIS中有效去除Cr(VI)的潜在底物。
关键词：Cr(VI)去除。沸石基板。涂层改性。ZnAl-LDHs。不同的金属化合物。构造快速渗透系统
绪论
含铬化合物排放到环境中主要来自与不同商业用途。铬(Cr)广泛用于工业电镀或合金化剂、颜料和制革剂。同时，还可用于纺织染料、媒染剂、陶瓷釉料、耐火砖、压延处理木材的生产和防腐。Cr的广泛使用促进了随之而来的环境污染，这已成为近年来日益关注的一个现象。武汉、南京、上海、重庆等沿江城市铬污染累计比例已达60%。Huang等人发现三亚湾珊瑚孔中的重金属污染有所增加。世界范围内成千上万的工业和天然化合物对淡水系统的污染日益严重，已经成为人类面临的主要环境问题之一。研究表明，Cr作为众所周知的重金属之一，由于含铬污水的排放，仍然是最普遍的污染物。
铬是一种银白色、硬而脆的金属，具有耐腐蚀的优点。铬以六价和三价的形式存在。三价铬可少量溶解而且毒性较低，而六价铬流动性强，被认为对大多数生物体具有剧毒和诱变作用。Cr(VI)的积累对生态系统是灾难性的，如果通过饮用、进食等方式摄入，会造成严重的健康影响。它对人体的主要作用是对皮肤、肝脏、肾脏和呼吸系统，导致各种疾病，如皮炎、肝肾小管坏死、支气管炎和支气管肺癌。Cr(VI)排放到地表水的耐受限为0.1 mg/L，饮用水为0.05 mg/L。为了遵守这一限制，工业必须对废水进行处理，将Cr(VI)浓度降低到可接受的水平。
近年来，人们开发了几种去除Cr(VI)的方法，包括吸附法，化学处理法和膜分离。虽然已经报道了许多新技术，如光催化、生物法和硫化铁还原法，但仍然应该采取新的成本效益和生态友好的措施来显著减少Cr(VI)污染的影响。
基于传统的快速渗滤系统(RIS)，构建的快速渗滤系统(CRIS)简单、可靠、成本低、能耗低，是一种有效的污水处理方法，而底物是CRIS净化处理的关键。在以往的研究中，CRIS通过使用天然砂、砾石、陶瓷、煤矸石、沸石等基质来替代传统的天然土壤介质，已被证明可以有效地产生更好的渗透性，增加水力负荷，并减少空间占用。但底物的耐污染能力和吸附能力有待提高。因此，有必要采取相应的有效措施，提高原底物的净化效果。
类水滑石的纳米阴离子粘土的结构可以被描述为在二价阳离子的一小部分由羟基在一个八面体协调后由三价阳离子取代,产生正电荷层隔开并平衡阴离子。LDHs具有阴离子交换能力强、比表面积大、环保等优点，在吸附催化领域受到学术界和工业界的广泛关注。由于LDHs具有高的表面积、易操作的吸附位点(电子密度、碱性强度)和形态/孔隙结构，其潜力很大
近年来，许多学者研究了LDHs去除Cr的潜力，并证明LDHs在去除Cr(VI)方面表现良好。Chen等人原位合成了一种LDHs处理含Cr(VI)废水，该技术具有非凡的效率。其他研究人员研究了铬(VI)在层状双氢氧化物上的吸附。Jaiswal等采用尿素水解法合成LDHs，并将其用于吸附水溶液中的Cr(VI)。纯LDHs作为一种有效的吸附剂，直接加入污水中处理效果一直是研究的重点，但其体积小，容易造成堵塞，在CRIS中应用时也应考虑其高成本。此外，利用LDHs作为水生态修复底物涂层的相关研究较少。
沸石比表面积大，离子交换能力强，常被用于废水中重金属离子的去除()。沸石表面的电负性允许金属阳离子的吸附。然而，原始沸石容易达到饱和，难以再生。未经处理的沸石对Cr(VI)的吸收量在0.06 ~ 0.09mg/g之间，在开始下降前约12 h达到峰值，这可能是由于沸石表面吸附饱和所致。因此，作为我们之前作品的延续。在此基础上，建立了处理含铬废水的模拟试验塔。本研究旨在评价不同ldhs改性底物去除Cr(VI)的性能，以确定制备LDHS改性沸石的最佳金属化合物组合。此外，还讨论了铬(VI)的去除机理。
材料和方法
模拟系统的表征
在室内组装了模拟实验室规模的CRIS。以聚氯乙烯(PVC)管材为原料，在10个长0.4 m、直径0.06 m的实验塔中进行了净化实验。每柱填充原始沸石基质和改性沸石基质，填充高度分别为0.35 m左右。水流从顶部进入系统，从底部流出。在间歇进水条件下，试验的水力停留时间(HRT)
为12h，纯化实验于2015年7月开始，10月结束。
在净化实验中，将污水处理厂的原水与武汉南湖的水混合，制备了实验塔内的进水。在每个实验中对合成废水的特性进行了测定。Cr(VI)浓度为0.219 ~ 0.368 mg/L。所有纯化实验中Cr(VI)的平均浓度为0.302 mg/L, Cr(VI)浓度的标准差为0.055 mg/L。采用紫外分光光度计(MAPADA仪器制造有限公司UV-1100分光光度计)分光光度法(SEPA 2002)测定实验期间Cr(VI)浓度。
LDHS改性沸石的制备
纯化实验采用两种不同粒径的沸石，等温吸附实验采用小型沸石，均采自河南省郑州市。沸石的物理性质如表1所示。
以不同的氯盐(分析试剂，AR级)为原料，制备了钙-铁、锌-铁、镁-铁、钙-钴、锌-钴、镁-钴、钙-铝、镁-铝、锌-铝等9种不同MII-MIII正离子比例(2:1 M)的LDHs。采用常规共沉淀法，在环境气氛下，将MIICl2 (0.2 M)和MIIICl3 (0.1 M)水溶液同时加入含有清洁的原始沸石的烧杯中，加热至80℃，合成上述LDHs涂层。与此同时,一个适当的体积10 wt %的氢氧化钠溶液加入pH值维持在大约11在连续搅拌下4 h。完整的沉淀后,混合化合物 在离心机中以1000 ~ 1500转/分的速度转10分钟,用去离子d水彻底清洗,直到废水的pH值的为中性。最后，将洗涤后的样品烘干16 h，得到相应的LDHS改性沸石。将每个改性沸石放入一个实验柱中。实验柱数和改性沸石类型见表2。
表征方法
采用扫描电镜(SEM, JSM-5610LV，日本)观察其形态特征，x射线荧光光谱(XRFS, Axios, PANalytical)分析其化学成分。
原始沸石的平均空隙率可由式(1)得到:
f是原来的基板的平均空隙率(%),D是列(cm)的内径,H是原始的高度沸石填充到列(cm), V是流出的水体积，H是列满了沸石基板高度。
吸附研究
利用原沸石和LDHS改性沸石进行了吸附等温线实验。吸附实验在250 mL锥形烧瓶中进行，取100 mL铬溶液，初始重铬酸盐浓度为0.05 ~ 4mg /L，底物剂量为2g。混合料在恒温摇床(常州国华仪器制造有限公司SHZ-82A)上以120 rpm的速度摇匀，30plusmn;1℃摇匀4小时，摇匀后立即过滤分离。对滤液中铬残留量进行了分析。所有的实验都是一式两份进行的。
分子筛底物吸附Cr(VI)的能力由式(2)确定:
其中C0和Ce为溶液中铬酸盐的初始浓度和平衡浓度(mg/L)， qe为平衡吸附容量(mg/kg)，m为吸附剂干重(kg)， V为悬浮液体积(L)。
利用研究数据绘制线性变换后的朗缪尔方程(Eq.(3))和弗伦德里希方程(Eq.(4))。
式中qe为吸附剂上平衡Cr(VI)浓度(mg/kg)， Ce为溶液中平衡Cr(VI)浓度(mg/L)， qm为吸附剂最大单层Cr(VI)吸附能力(mg/kg)， Kl为朗缪尔吸附平衡常数，b为吸附能(L/mg)。Kf为Freundlich吸附平衡常数，常数n表示Freundlich等温线曲率。
吸附方程
利用研究数据绘制非线性Sips方程(Eq.(5))和D-R方程(Eqs (6)和(7))。
其中qD为吸附剂对Cr(VI)的最大单层吸附能力;as和Ks为Sips吸附平衡常数;R为通用气体常数(8.314 J/(molbull;K));T (K)是反应温度。KD为活度系数，E (KJ/mol)为平均吸附自由能
统计数据
所有统计分析均采用Origin V8.0和SPSS 19.0软件进行，包括单因素方差分析。此外，还进行了事后的多重比较，以检验涂有LDHs的改性沸石的统计学差异。统计学上显著性差异定义plt; .05, p值也表示检验中显著性(双尾)值。所有病例的统计学显著性水平均为p lt; 0.05。
结果
底物的特性
为了更好地评价LDHs改性沸石的包覆性能，对所有沸石基体的结构性能和化学成分(SEM, XRFS)进行了精细表征。ZnCo-LDHs、ZnAl - LDHs、MgCo-LDHs改性后的沸石基板与原沸石基板的SEM图像如图1所示。扫描电镜分析表明，原沸石基板的表面是多孔的，具有芦荟结构，这与改性后的基板不同。此外，改性沸石的表面呈现出一个聚集的花朵状的团块，带有小而片状的碎片或菱形颗粒状的叠层，这些叠层中含有一层一层的双羟基。此外，纯化实验前(图1a, c, e, g)和纯化后(图1b, d, f, h)基体的SEM图像表明，所有基体表面都出现了较薄的杂质颗粒。因此，我们可以合理地推断出这些材料具有物理截留能力，尤其是原始沸石，其杂质颗粒的质量似乎更大。这表明物理截留作用对沸石基板的去除起着重要的作用。给出了原分子筛和ldh改性分子筛的化学分析结果。原沸石的主要复合材料为二氧化硅(72.07%)、氧化铝(18.87%)和铁、钙等微量元素。结果表明，不同改性方法的沸石中金属化合物的含量均高于原沸石。特别是，与原始沸石中的零相比，核壳沸石/ZnFe-LDHs、沸石/ ZnCo-LDHs和沸石/ZnAl-LDHs中的锌含量均有所增加。与原沸石中Ca含量(1.02%)相比，包覆CaFe -LDHs、CaCo-LDHs和CaAl-LDHs的沸石分别增加了0.21、0.22和0.04%。与此同时，改性沸石的沸石含量比原沸石高(0.01%)。根据SEM图像和XRFS结果，涂层方法改变了沸石的物理特性和化学成分，证实了ldhs涂层在原沸石表面的可行性。
图1 SEM图像的小型核壳沸石/ ZnCo-LDHs之前(a)和净化实验后(b),coreshell沸石/ ZnAl-LDHs净化实验之前(c)和净化实验之后(d)净化实验,核壳沸石/ MgCo-LDHs净化实验之前(e)和净化实验之后(f)和原沸石净化实验之前(g)和净化实验之后(h)
净化实验
小型和大型核壳沸石/LDHs和原沸石对Cr(VI)的去除率如图2所示。小型底物(原基板和ldhs改性沸石)的平均去除率均超过80%，除CaFe - LDHs改性沸石。如图2所示，改性后的大型沸石去除Cr(VI)的效率得到了提高。例如，与原沸石相比，ZnCo -LDHs改性沸石的Cr(VI)去除率提高了17.12%。然而，大型沸石对铬(VI)的去除率仍然保持在较低的水平。
从图2中我们发现，无论对于小型沸石还是大型沸石，大多数改性沸石底物的去除率都高于原始沸石底物。对于小型沸石基材，包覆ZnAl - LDHs的改性沸石基材性能最好对Cr(VI)的平均去除率达到94.50%。包覆MgFe-LDHs(92.31%)、MgCo-LDHs(92.37%)、CaAl-LDHs(92.46%)、MgAl-LDHs(90.05%)、ZnCo-LDHs(92.99%)的沸石平均去除率也达到90%以上，在整个实验过程中均保持在较高水平。根据实验结果,我们可以简单总结一下,改性沸石基板含有Al-LDHs和Mg-LDHs铬(VI)去除效率较高,但其余改性沸石的去除率ZnFe-LDHs (79.67%)、CaCo-LDHs(81.62%),和CaFe-LDHs(61.85%)低于原来的沸石(83.08%)，在实验过程中稳定性不足。
纯化实验结果表明，大多数ldhs改性沸石的处理性能可达80%。Asiabi研究了层状双氢氧化物在室温下对Cr(VI)的去除，初始Cr(VI)浓度为30 mg/L时可达到49.0%。同时，Wu等人用表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(HDTMA)对沸石进行了改性，复合改性沸石(7% NaCl 0.5% HDTMA)和有机改性沸石(0.5%HDTMA)的处理性能分别可达到约60和40%。此外，通过对小型和大型沸石基质去除率的比较，小型沸石具有更好的去除Cr (VI)的性能，这主要是由于其比表面积较大。一方面
全文共18674字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[1392]
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
