功能化硅基介孔材料的制備及其對(duì)重金屬離子的吸附性能研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展速度的加快，重金屬離子對(duì)水資源的污染程度也越來越嚴(yán)重。各種能有效凈化水體中重金屬離子污染的處理技術(shù)與方法受到了世界各國政府和研究者們的極大關(guān)注。采用吸附技術(shù)處理廢水中的重金屬離子是一種有效并具有前景的方法之一。因此設(shè)計(jì)、研究和開發(fā)具有特殊或優(yōu)異性能的吸附材料是該領(lǐng)域最前沿和最引人注目的研究熱點(diǎn)之一。硅基介孔材料由于具有規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)，較高的比表面積和孔容，均一并且可調(diào)的孔徑等特點(diǎn)受到了國際研究界的高度關(guān)注。硅基介孔材料的

2、合成研究已取得了一定的成果，但是在硅基介孔材料功能化及應(yīng)用領(lǐng)域的研究進(jìn)展卻很緩慢。
　　本文采用綠色合成工藝制備硅基介孔材料并以此為母體材料，選用不同的功能化試劑和不同的合成工藝制備了多種功能化硅基介孔材料，并研究了其對(duì)重金屬離子的吸附性能。運(yùn)用傅立葉紅外光譜（FT-IR）、透射電鏡（TEM）和掃描電鏡（SEM）、小角X-射線衍射（XRD）和氮?dú)馕?脫附等手段對(duì)新型吸附劑的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試和表征。考察了不同功能化硅基介孔材料

3、對(duì)水溶液中重金屬離子的吸附率，以獲得各種金屬離子被吸附效果最佳的功能化硅基介孔材料。運(yùn)用不同的等溫線模型、動(dòng)力學(xué)模型和熱力學(xué)模型對(duì)吸附平衡進(jìn)行分析，研究吸附過程的性質(zhì)、控速步驟及熱力學(xué)行為，探索和尋求實(shí)用有效的重金屬離子廢水的治理方法。本論文主要工作包括以下內(nèi)容：
　　1、本文采用水熱法制備了硅基介孔材料MCM-41和SBA-15，經(jīng)過測(cè)試與表征以及重金屬離子的吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明所合成的硅基介孔材料具有良好的孔道結(jié)構(gòu)，在較短時(shí)間內(nèi)

4、對(duì)重金屬離子有一定的吸附容量和吸附效率，對(duì)Zn2+、Pb2+、Cr3+和 Cu2+等四種金屬離子的吸附效率均高于30％，這兩種材料可以考慮作為初步處理重金屬離子廢水的材料。
　　2、利用一步法和兩步法制備氨基或巰基功能化硅基介孔材料，表征發(fā)現(xiàn)經(jīng)功能化處理后的樣品成功地接枝上了氨基或巰基功能基團(tuán)。經(jīng)功能化處理后，材料的骨架結(jié)構(gòu)及介孔孔道均沒有被破壞，但有序性下降并且出現(xiàn)了少許的團(tuán)聚，物性參數(shù)也有一定程度的下降，功能化硅基介孔材料對(duì)

5、Zn2+、Pb2+、Cr3+和Cu2+的吸附率均有大幅度的提高。一步法制備的功能化硅基介孔材料因模板劑去除不徹底而影響了對(duì)重金屬離子的吸附效率，兩步法制備的功能化硅基介孔材料對(duì)重金屬離子的吸附效果更好，特別是將硅烷偶聯(lián)劑水解預(yù)處理后再功能化制備的硅基介孔材料對(duì)重金屬離子的吸附率最高，對(duì)重金屬離子具有更好的吸附效果，證明功能化試劑水解預(yù)處理再功能化硅基介孔材料的工藝是可行有效的。
　　3、利用硅烷偶聯(lián)劑水解預(yù)處理法，再采用分步法和同

6、步法制備氨基和巰基復(fù)合功能化硅基介孔材料，測(cè)試表征結(jié)果說明硅基介孔材料均能復(fù)合接枝氨基和巰基形成復(fù)合功能化材料，并且復(fù)合功能化材料的骨架及介孔孔道均沒有被破壞，但有序性進(jìn)一步下降且出現(xiàn)大量團(tuán)聚現(xiàn)象，物性參數(shù)也有一定程度的下降。重金屬離子吸附實(shí)驗(yàn)中，復(fù)合功能化硅基介孔材料對(duì)Zn2+、Pb2+、Cr3+和Cu2+的吸附率均分別較高，對(duì)各金屬離子的吸附率也相差不大，但是復(fù)合功能化硅基介孔材料的制備過程較繁瑣，而對(duì)重金屬離子的吸附率又不及單功能

7、化硅基介孔材料，針對(duì)單一離子的吸附，復(fù)合功能化硅基介孔材料并不是最佳的吸附材料。吸附重金屬離子后的氨基或巰基功能化硅基介孔材料的解吸-吸附循環(huán)實(shí)驗(yàn)規(guī)律基本一致，解吸率和吸附率均隨著循環(huán)次數(shù)的增加而有所下降，經(jīng)過循環(huán)解吸再生吸附使用5次以后，功能化硅基介孔材料對(duì)重金屬離子的吸附率仍然較高，雖不能高度凈化含重金屬離子的廢水，但仍可以作為水體中重金屬離子的初步富集材料。綜合重金屬離子吸附試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氨基功能化硅基介孔材料S-N對(duì)Zn2+、Pb2

8、+的吸附率最大，氨基功能化硅基介孔材料M-N對(duì)Cr3+的吸附率最大，巰基功能化硅基介孔材料S-S對(duì)Cu2+的吸附率最大。
　　4、選用對(duì)四種金屬離子吸附率最高的功能化硅基介孔材料，研究其與重金屬離子之間的吸附模型。功能化硅基介孔材料吸附重金屬離子的吸附等溫線均與Freundlich等溫線更符合，n值均在1-10之間，D-R等溫吸附方程計(jì)算出的吸附能均大于8kJ?mol-1，且隨著重金屬離子溶液濃度的升高而越來越大；重金屬離子的動(dòng)力

9、學(xué)吸附曲線與擬二級(jí)曲線擬合較好，各擬二級(jí)吸附常數(shù)隨著溫度的升高而逐漸增大，不同溫度下的內(nèi)擴(kuò)散方程的擬合曲線均分為三段，內(nèi)擴(kuò)散并非為唯一控制速率步驟；Arrhenius方程計(jì)算得出Zn2+、Pb2+、Cr3+和Cu2+等離子的吸附活化能分別為45.24kJ?mol-1、49.22 kJ?mol-1、44.56kJ?mol-1和57.60 kJ?mol-1，均屬于活性化學(xué)吸附，說明硅基介孔材料經(jīng)功能化后增加了更多的化學(xué)活性點(diǎn)，更有利于重金屬