有机改性膨润土和介孔碳的制备及其对废水中酚类物质吸附性能和吸附机理的研究

摘要

目前全球水污染问题日益严峻，其中酚类化合物作为有毒的有机污染物，其治理迫在眉睫。在现行的处理方法中，吸附法因其操作简单、吸附量大及成本低等优点被广泛应用于酚类污水处理中，但寻求一种高效、经济和环境友好型的吸附剂仍是急需解决的问题。本文选择低成本的有机改性膨润土和富含官能团的介孔碳作为吸附剂进行废水中酚类物质的吸附研究。首先，成功制备有机改性膨润土和介孔碳；然后利用多种表征手段对有机改性膨润土和介孔碳进行结构和形貌分析；再分别对有机改性膨润土和介孔碳对废水中苯酚溶液、4-氯苯酚溶液和 2，4-二氯苯酚溶液的吸附效果和吸附机理进行研究；最后，探明适合处理废水中酚类物质的吸附剂，为实际酚类废水的处理提供夯实的理论基础。本文主要研究内容分为以下三个部分： 1.本文以十六烷基三甲基溴化铵为改性剂，成功制备出有机改性膨润土（CTAB-Bent），并通过XRD、SEM、N2吸-脱附、FT-IR和Zeta手段分析CTAB-Bent的微观结构和表面化学性质。系统地考察了吸附剂投加量、溶液pH值、反应时间、初始浓度和反应温度等对苯酚溶液、4-氯苯酚溶液和2，4-二氯苯酚溶液在CTAB-Bent上的吸附效果的影响及吸附机理，并探讨其吸附过程的动力学、等温线和热力学。结果表明：CTAB成功插层钠基膨润土，层间距由1.05 nm增加为2.04 nm，此外，该有机改性膨润土的比表 面积和总孔容为32.735 m2/g 和0.785 cm3/g，最可几孔径为3.865 nm，属于典型的介孔材料，且具有明显的片层结构和憎水官能团。当实验条件为：CTAB-Bent投加量为0.20 g，苯酚溶液、4-氯苯酚溶液和2，4-二氯苯酚溶液pH值分别为6.80、6.70和6.65，溶液初始浓度为100 mg/L，反应时间为40 min，反应温度为25 ℃，苯酚溶液、4-氯苯酚溶液和2，4-二氯苯酚溶液在CTAB-Bent上的去除率分别为30.26%、77.28%和93.61%，对应吸附量分别为7.57 mg/g、19.32 mg/g和23.40 mg/g。此外，CTAB-Bent对三种酚类物质的吸附过程均遵循伪二阶动力学模型，Freundlich 模型能够很好地描述CTAB-Bent对三种酚类物质的吸附。通过进一步探究CTAB-Bent分别吸附苯酚、4-氯苯酚和2，4-二氯苯酚的热力学研究中，可知，CTAB-Bent对苯酚的吸附为非自发的吸热反应，对4-氯苯酚和2，4-二氯苯酚的吸附为自发的吸热反应，且在CTAB-Bent对三种酚类物质的吸附过程中，吸附系统的无序性和混乱都乱度均增大。就吸附机理而言，在CTAB-Bent吸附三种酚类物质的过程中，以层间的分配作用为主，表面吸附作用为辅。 2.以KIT-6为模板，蔗糖为碳源，碳化温度为900 ℃，采用硬模板法纳米铸造途径合成介孔碳，并通过XRD、TEM和N2吸-脱附对样品的结构特征和表面形态进行深入分析。系统地考察了各种实验条件下：吸附剂投加量、溶液pH值、反应时间、初始浓度和反应温度等对苯酚溶液、4-氯苯酚溶液和 2，4-二氯苯酚溶液在介孔碳上的吸附效果的影响及吸附机理，并探讨其吸附动力学、吸附等温线和吸附热力学。结果如下：介孔碳属于立方体la3d结构的无定形碳，并具有典型的蠕虫状孔道结构，其比表面积为398.767 m2/g，孔容为0.078 cm3/g，均一孔径为3.8 nm。在介孔碳的投加量为0.10 g，苯酚溶液、4-氯苯酚溶液和 2，4-二氯苯酚溶液 pH 值分别为 6.80、6.70 和6.65，初始浓度为100 mg/L，反应时间为120 min，反应温度为25 ℃的条件下，介孔碳对苯酚、4-氯苯酚和2，4-二氯苯酚的去除率分别为70.15%、81.66%和 85.57%，相应的吸附量分别为 35.07 mg/g、40.83 mg/g 和 42.78 mg/g。在吸附动力学研究中，苯酚、4-氯苯酚和2，4-二氯苯酚在介孔碳上的吸附均遵循伪二阶动力学模型，在吸附等温线研究中，酚类物质在介孔碳上的吸附符合Langmuir模型，而吸附热力学表明：酚类物质在介孔碳上的吸附均属于自发吸热的过程。就吸附机理而言，随着酚类物质苯环上取代基个数的增多，酚类物质的疏水性增强和电子效应也增强，致使介孔碳与酚类物质之间的疏水作用和Π-Π相互作用增强。 3.通过比较CTAB-Bent和介孔碳对同一酚类物质（苯酚、4-氯苯酚和2，4-二氯苯酚）的吸附效果的影响，选择去除酚类物质的合适的吸附剂。结果如下：在处理苯酚废水时，在最佳反应条件下，介孔碳对苯酚的去除率为70.15%，远大于CTAB-Bent对苯酚的去除率30.26%；考虑到实际处理苯酚废水的应用，介孔碳较CTAB-Bent更具有发展前景。在处理4-氯苯酚废水时，从吸附剂投加量、反应时间和反应温度等方面出发，CTAB-Bent展示出良好的优势。从pH值考虑，在4-氯苯酚pH为2.0-6.0时，介孔碳对苯酚的去除率为81.66%以上，完全优于CTAB-Bent对4-氯苯酚的去除效果，在pH值为中性范围内，CTAB-Bent和介孔碳对4-氯苯酚的去除率均为80.00%左右，在偏碱性的环境下，介孔碳对4-氯苯酚的去除效果较CTAB-Bent稍低；从初始浓度入手，在4-氯苯酚浓度为0 mg/L-400 mg/L范围内，介孔碳对4-氯苯酚的吸附量达到86.56 mg/g，较CTAB-Bent具有良好的处理效 果；但随着 4-氯苯酚浓度的增加，介孔碳对 4-氯苯酚的吸附基本饱和，而CTAB-Bent却展现出吸附量为148.56 mg/g的吸附性能。综合以上可知，在实际应用中，根据4-氯苯酚水质条件情况，做出灵活的举措。在处理2，4-二氯苯酚废水时，在最佳实验条件下，CTAB-Bent对2，4-二氯苯酚去除率高达93.61%，大于介孔碳对2，4-二氯苯酚的去除率85.57%。从吸附剂投加量、溶液pH值、反应时间和反应温度等方面出发，CTAB-Bent具有更好的应用前景。具体从初始浓度方面考虑，在2，4-二氯苯酚浓度为0 mg/L-400 mg/L范围内，介孔碳对2，4-二氯苯酚的吸附量为101.60 mg/g，大于CTAB-Bent对2，4-二氯苯酚的吸附量92.37 mg/g；但随着2，4-二氯苯酚浓度的继续升高，介孔碳对2，4-二氯苯酚的吸附达到饱和，而CTAB-Bent对2，4-二氯苯酚展现出206.83 mg/g的吸附性能。结合以上可知，在实际处理2，4-二氯苯酚废水时，CTAB-Bent更具有优势。

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摘要

ABSTRACT

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第一章 绪论

1.1 酚类化合物的概述

1.2国内外酚类废水处理现状

1.2.1 酚类物质的结构与性质

1.2.2 酚类废水的处理方法

1.3 处理酚类废水常见的吸附剂

1.3.1 吸附树脂

1.3.2 沸石

1.3.3 膨润土

1.3.4 介孔碳

1.4 有机改性膨润土和介孔碳对酚类物质的吸附机理

1.4.1 吸附机制

1.4.2 吸附动力学

1.4.3 吸附等温线

1.4.4 吸附热力学

1.5 本论文的研究目的、意义、主要内容和创新点

1.5.1 本论文研究的目的和意义

1.5.2 本论文研究的主要内容和创新点

第二章 有机改性膨润土的制备与表征

2.1 实验材料与仪器设备

2.1.1 实验材料

2.1.2 仪器设备

2.2 实验部分

2.2.1 制备有机改性膨润土

2.2.2 表征

2.3 表征结果与分析

2.3.1 XRD分析

2.3.2 SEM分析

2.3.3 N2吸-脱附分析

2.3.4 FT-IR分析

2.3.5 Zeta分析

2.4 本章小结

第三章 有机改性膨润土对废水中苯酚、4-氯苯酚和2, 4-二氯苯酚的吸附性能研究

3.1 实验药品和仪器

3.2 吸附实验

3.3 吸附实验性能研究

3.3.1 吸附影响因子的研究

3.3.2 吸附动力学、吸附等温线及吸附热力学的研究

3.4 本章小结

第四章 介孔碳的制备与表征

4.1 实验材料与仪器设备

4.1.1 实验材料

4.1.2 仪器设备

4.2 实验部分

4.2.1 制备介孔碳

4.2.2 表征

4.3 表征结果及分析

4.3.1 XRD分析

4.3.2 TEM分析

4.3.3 N2吸-脱附分析

4.4 本章小结

第五章 介孔碳对废水中苯酚、4-氯苯酚和2, 4-二氯苯酚的吸附性能研究

5.1 实验药品和仪器

5.2 吸附实验

5.3 吸附实验性能研究

5.3.1 吸附影响因子的研究

5.3.2 吸附动力学、吸附等温线及吸附热力学的研究

5.4 本章小结

第六章 比较有机改性膨润土和介孔碳对废水中酚类物质吸附性能的研究

6.1 比较有机改性膨润土和介孔碳对苯酚吸附性能的研究

6.1.1 吸附剂投加量

6.1.2 溶液pH值

6.1.3 反应时间

6.1.4 溶液浓度

6.1.5 反应温度

6.2 比较有机改性膨润土和介孔碳对4-氯苯酚吸附性能的研究

6.2.1 吸附剂投加量

6.2.2 溶液pH值

6.2.3 反应时间

6.2.4 溶液浓度

6.2.5 反应温度

6.3 比较有机改性膨润土和介孔碳对2, 4-二氯苯酚吸附性能的研究

6.3.1 吸附剂投加量

6.3.2 溶液pH值

6.3.3 反应时间

6.3.4 溶液浓度

6.3.5 反应温度

6.4 本章小结

第七章 结论

7.1 主要结论及创新

7.2 论文不足之处及后续工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文