基于二氧化硅的有机/无机杂化材料及其在重金属废水处理中的应用

摘要

重金属水污染是最严峻的环境问题之一，为了去除水体中的有毒重金属离子，许多本身对水体无毒无害，且对重金属离子具有富集、络合或催化降解等功能的新型杂化纳米材料被不断地开发和研究。二氧化硅作为一类形貌可控、表面易于修饰的多孔材料，可以很方便地通过物理或化学作用加以修饰，从而很好地发挥吸附及络合重金属离子的效果，因此基于二氧化硅的有机/无机杂化材料的制备及其在环境中污染物去除方面的应用受到越来越多的亲睐。本论文针对目前日益严重的重金属废水污染问题和常规二氧化硅基杂化材料功能较为单一的现状，制备了一系列基于二氧化硅的新型有机/无机杂化材料，用于水体中低浓度Cu(II)、Cr(VI)等重金属离子的有效去除。
　　（1）针对目前水体中难以去除的低浓度铜离子，首先合成核壳结构的磁性纳米粒子 Fe3O4@mSiO2并在其表面修饰了铜离子荧光探针以及丰富的络合基团，得到的纳米吸附剂 SDMA可用于水体中低浓度 Cu(II)的快速检测及吸附去除。实验结果表明，SDMA对Cu(II)具有较好的选择性，且对1.5mg/L的Cu(II)可达到80％的去除效率和较快的吸附速率（20 min内可达到吸附平衡），对铜离子的吸附量要明显大于等量的Fe3O4@mSiO2-SH和Fe3O4@mSiO2-NH2这两种纳米吸附材料。另外，该纳米吸附剂可以在外界磁场作用下实现磁性分离，从而对材料进行回收和重复使用。
　　（2）含铬工业废水的排放对环境造成了严重破坏，对动植物及人都有巨大的威胁。针对毒性较大的Cr(VI)，本论文设计合成了一种二氧化硅基的新型大孔杂化材料(SPNH-MOSF@SnS2)用于高效率去除水中Cr(VI)。该材料通过在大孔二氧化硅纳米泡沫（MOSF）孔道中负载具有可见光催化降解性能的SnS2纳米粒子，然后在MOSF表面修饰能光控识别性络合Cr(III)的有机化合物SPNH，从而实现了将剧毒的Cr(VI)还原为低毒的Cr(III)并进一步吸附Cr(III)，最终达到将重金属铬完全从水中去除的目的。通过一系列光催化还原与吸附试验发现，低pH值的环境利于SPNH-MOSF@SnS2对Cr(VI)的去除，而且只需通过改变照射光源便可控制SPNH的吸附—脱附过程，所以该材料能重复使用并保持高效率。
　　（3）利用静电纺丝技术制备膜材料以用于水体中低浓度 Cr(VI)的吸附与还原。先利用静电纺丝技术和煅烧法制备出掺杂二氧化硅的碳纤维膜，再通过水热法和二氧化硅接枝法分别在膜上修饰花状 SnS2纳米粒子与氨基，如此便制备出 FCNF/SnS2。FCNF/SnS2展现出较好的Cr(VI)吸附作用与光催化还原效果，对30 mg/L及以下的K2Cr2O7溶液能在30min内完全吸附并还原，从而解决了许多材料不能对低浓度Cr(VI)实现去除的难题。

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第一章 文献综述

1.1引言

1.2重金属离子废水的处理方法

1.3基于二氧化硅制备的有机/无机杂化材料在废水处理中的应用

1.4论文选题的意义和研究内容

第二章 新型磁性纳米杂化材料的制备及其对低浓度铜离子的检测与去除

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4本章小结

第三章 基于大孔二氧化硅制备的光催化-吸附功能杂化材料及其对水中Cr(VI)的还原与去除

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第四章 功能化碳纤维膜的制备与其对水中低浓度Cr(VI)的吸附与还原

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第五章 结论与展望

5.1本文总结

5.2展望

参考文献

攻读学位期间论文发表和整理情况

致谢