球磨产物Ca-Al矿物前驱体的制备及其吸附性能的研究

摘要

近年来，水体的污染和治理越来越受到人们的关注，而我国水资源有限，如何治理各类复杂的水体污染和循环利用水资源是必需关注的焦点。本课题主要是通过制备矿物前驱体作为吸附剂去除污染水体中的重金属离子。研究发现经机械力高能球磨制备矿物材料前驱体，前驱体水中搅拌即可转化为相应矿物材料，前驱体在水中搅拌转化为矿物材料过程中对水体中特定化学成分吸附效率优异，而且吸附容量远远优于相应矿物材料成品的吸附容量。基于上述新现象，本课题力图通过一系列试验与理论研究，形成一套完整机械力化学矿物材料前驱体制备与应用工艺。研究工作以类水滑石前驱体、钙矾石前驱体的制备与应用为主要内容，建立物料干式研磨过程中结构变化与价键结合规律，系统总结制备有效前驱体的必要条件，评价其阴离子污染物与重金属离子吸附特性，通过合理调配前驱体种类，实现实际污染水体高效处理及水体有用组分回收再利用的目标。 目前合成的矿物材料的方法主要有水热法，但由于生产过程中废热液的排放，高耗能、环境污染成为其无法克服的缺点。机械力化学球磨法，作为一种矿物材料合成新兴技术，得益于其高效低污染的优点，受到了越来越多的关注。本课题的研究内容涉及到钙矾石前驱体、水滑石前驱体、和钡盐类替换前驱体对磷酸根，铬酸根等离子的吸附性能的研究，具体包括下面几点： （1）通过共同球磨Ca(OH)2、Al(OH)3、CaSO4.2H2O以制备具有活性的钙矾石前驱体，在一定条件下可形成钙矾石(分子式是3CaO?Al2O3?3CaSO4?32H2O)。常温下将前驱体置于含有磷酸根的溶液中进行简单的搅拌，不仅可以生成钙矾石，还可以在生成钙矾石的过程中将一定量的磷酸根离子纳入到钙矾石结构中，形成磷酸型钙矾石。将磷酸二氢钾作为主要目标吸附质，分析磷酸盐和硫酸盐在钙矾石结构中共存的特性以及钙矾石前驱体对磷酸根溶液的吸附性能。 （2）Ca(OH)2和Al(OH)3共同球磨用来制备水滑石矿物前驱体吸附剂，将此吸附剂在铬酸根溶液中搅拌一定时间不仅生成水滑石型层状金属氢氧化物，而且容纳铬酸根在其结构里，呈现良好的吸附效果。Ca-Al前驱体作为一种吸附剂放入铬酸根溶液和高浓度的氯盐共存溶液中进行吸附，吸附产物是不同类型水滑石，它将铬酸根离子优先纳入到水滑石结构中，形成CrO42--LDH，吸附等温线和吸附动力学研究表明，Ca-Al前驱体对铬酸根离子的吸附更符合准二级动力学模型，并且Langmuir的最大吸附容量达到了60 mg/g。 （3）基于碳酸钡对铬酸根离子的沉淀去除效果，设计了 Ca-Al-BaCO3类前驱体吸附剂，来提高了碳酸钡的去除铬酸根离子的效果。不同摩尔比例的Ca-Al-BaCO3吸附剂在200mg/l的铬酸根溶液的吸附产物同时产生碳酸类水滑石(3CaO?Al2O3?CaCO3?11H2O)和BaCrO4，按照相应的摩尔比例配制的高浓度铬酸根溶液中，不同摩尔比例的Ca-Al-BaCO3吸附剂吸附后得到的产物也不同，3:2:1Ca-Al-BaCO3的吸附产物主要是铬酸根类型的水滑石(3CaO?Al2O3?CaCrO4?14H2O)和BaCrO4，3:2:2Ca-Al-BaCO3的吸附产物主要是碳酸根类型的水滑石(3CaO?Al2O3?CaCO3?11H2O)和BaCrO4。确认了铬酸根离子沉淀去除的作用里，不仅有铬酸钡的沉淀，还有容纳到水滑石相结构中的现象。 简单地干式球磨Ca-Al氢氧化物等廉价易得原料，得到的产物在水中或含有污染物的废水中室温搅拌便可以转换成所定的钙矾石，水滑石等有吸附性能的矿物材料，具有前驱体的功能。更有意义的是在吸水转化为吸附剂的过程中，比吸附剂产品能更容易地把废水中的污染体容纳到结构里来，极大地提高了净化能力，首次将前驱体这一新概念，引用到矿物材料治理环境污染，有助于这一领域的发展。

目录

声明

第1章 引 言

1.1研究背景

1.2机械力化学

1.3非金属矿物合成现状

1.4非金属矿物对阴离子的去除现状

1.5球磨产物Ca-Al矿物前驱体的类型

1.6本课题研究目标、内容与意义

第2章实验方法

2.1实验试剂与仪器

2.2合成实验

2.3吸附实验

2.4表征方法

第3章钙矾石及钙矾石前驱体的制备及其对磷酸根离子(PO43-)吸附性能的研究

3.1钙矾石及钙矾石前驱体的制备

3.2钙矾石及钙矾石前驱体对磷酸根离子(PO43-)的吸附

3.3钙矾石前驱体对磷酸根的吸附机理研究

3.4本章小结

第4章水滑石及水滑石前驱体的制备及其对铬酸根离子(CrO42-)吸附性能的研究

4.1 2:3:1条件下钙盐替代CaSO4?2H2O产物生成与分析

4.2水滑石及水滑石前驱体的制备

4.3水滑石及水滑石前驱体合成与吸附产物的特征分析

4.4水滑石及水滑石前驱体对铬酸根离子(CrO42-)的吸附

4.5本章小结

第5章钡盐替换前驱体的制备及其对铬酸根离子

5.1硫酸钡协同Ca-Al-Ba前驱体的制备

5.2硫酸钡协同前驱体对铬酸根离子(CrO42-)的吸附

5.3碳酸钡协同前驱体的制备

5.4碳酸钡协同前驱体对铬酸根离子(CrO42-)的吸附

5.5本章节结论

第6章 结论

参考文献

致谢

附录一：攻读硕士期间发表的论文和专利