功能化SiO2吸附重金属的定量分析和机理探究

论文摘要

随着人类社会的工业迅猛发展,水污染的环境问题日益严峻。其中的水体重金属离子污染由于其生物不可降解、随食物链富集等特点而对生物和人体产生长久的危害。发展重金属的修复技术刻不容缓。利用吸附剂对水体中的重金属离子进行吸附是一种操作简便、成本低廉、可循环性高的处理方法,而有机功能化的SiO2纳米微球在捕获废水中重金属离子方面有良好的前景。但是,特定官能团在SiO2表面上的吸附效果尚不清楚,因此需要对表面修饰官能团引起的吸附性能的提高进行定量分析和机理研究。本文的主要研究内容如下:1、利用经典的St?ber法成功合成了具有良好的单分散性的二氧化硅纳米微球,并通过简易的硅烷化反应,实现了SiO2的表面官能化,成功合成-EDTA、-COOH、-SO3H、-SH和-NH2等五种有机基团功能化SiO2。扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、比表面积（BET）表明五种有机基团功能化的SiO2的大小和形貌与原始二氧化硅纳米微球保持一致,即表面改性方法几乎不改变原始SiO2的形态和相貌。红外光谱（FTIR）说明合成后并不破坏基底材料本身。最后,能谱（EDS）和X射线光电子能谱（XPS）分析表明在五种有机基团功能化的SiO2上检测出对应官能团的特征元素,进一步说明成功在SiO2表面接枝上不同的有机官能团。2、批量吸附实验证明原始的二氧化硅纳米微球对Pb2+,Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+的吸附容量是可以忽略的,即SiO2本身的吸附容量可忽略,功能化后得到的材料具有的吸附能力来自修饰的有机官能团。而通过热重分析计算得出-EDTA、-SO3H、-COOH、-SH和-NH2功能化SiO2表面修饰的有机官能团的含量分别为:-EDTA功能化SiO2为0.2538 mmol/g,-SO3H功能化SiO2为1.4238 mmol/g,-COOH功能化SiO2为0.6818 mmol/g,-SH功能化SiO2为0.7560 mmol/g,-NH2功能化SiO2为0.8759 mmol/g。紧接着,-EDTA、-SO3H、-COOH、-SH和-NH2功能化SiO2对Pb2+、Cu2+、Ni2+、Zn2+和Cd2+离子的吸附实验中发现,EDTA对这些重金属离子的吸附容量分别为0.387、0.380、0.312、0.349和0.362 mmol/g,而利用接枝官能团摩尔数进行归一化后得出,单位毫摩尔基团吸附容量1.511、1.497、1.228、1.366和1.423 mmol/mmol,EDTA均是最大的。这也表明SiO2纳米微球上修饰EDTA基团对其吸附能力提高的幅度是最大的。同时在pH对吸附容量影响实验、动力学实验和等温吸附实验的分析结果均表明,与-COOH,-SO3H,-SH和-NH2有机基团相比,用-EDTA基团对SiO2进行表面改性对其吸附能力提高的幅度是最大的。这是第一次在有效官能团摩尔数的基础上评估功能化SiO2的吸附性能,可以弥补基于单位质量计算的常规评估方法的不足。3、在进一步机理分析中,Zeta电位分析显示-NH2功能化SiO2的吸附量非常低是因为在进行吸附时其表面带正电。而吸附效果良好的-EDTA、-COOH和-SO3H功能化SiO2的表面均带负电。通过XPS的分析得出-EDTA、-SO3H、-COOH、-SH和-NH2功能化的SiO2吸附Pb2+离子的吸附作用位点,依次推导出其吸附的构型后,建立三维模型并用Dmol3模块优化结构和计算结合能。得出-EDTA、-COOH、-SO3H、-SH和-NH2官能化SiO2上吸附Pb2+离子的吸附能大小顺序恰好与单位毫摩尔的理论最大吸附容量从大到小的顺序一致,即两者存在一定的正相关性。最后通过对比-EDTA、-SO3H、-COOH、-SH和-NH2硅烷化试剂对Pb2+离子进行吸附的模型和其对应分子对Pb2+离子进行吸附的模型发现,与其他有机基团相比,-EDTA具有不存在官能团之间导致地位阻问题的优势。综合考虑分析可得,-EDTA不仅表面带负电与Pb2+离子相互吸引、与Pb2+离子作用的吸附能较高,而且作用的空间位阻小,构象能量低。因此,进一步推测在SiO2上修饰的-EDTA基团相对于其他基团来说,会对其吸附作用力和吸附容量有更大幅度的提高。4、实际水体中Na+、K+、Ca2+和Mg2+等阳离子的存在对EDTA-SiO2吸附Pb2+的影响十分微弱。而Cu2+、Pb2+、Ni2+、Cd2+和Zn2+等五种重金属离子共存时,低浓度下EDTA呈现出广谱吸附的特点,在高浓度下则有优先顺序。EDTA在pH>3时具有良好的吸附能力,而在pH<2时吸附量较小,据此可实现pH驱动的吸附-脱附循环,以达到材料重复利用的目的。从EDTA-SiO2在这些条件下的表现,更全面地到SiO2作为基质的稳定性以及EDTA在各种环境下的广适性使EDTA-SiO2材料实际废水环境下的应用前景良好。这项工作不仅开发了一种有效的SiO2吸附剂,而且为具有丰富吸附位点的新型SiO2材料的评估和设计提供了有价值的见解。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1. 重金属废水污染现状及处理方法
•     1.1.1. 水体中重金属的污染
•     1.1.2. 工业废水中金属离子的处理方法
•   1.2. 常见的重金属离子吸附材料
•     1.2.1. 活性炭
•     1.2.2. 壳聚糖
•     1.2.3. 沸石
•     1.2.4. 螯合树脂
•     1.2.5. 二氧化硅
•   1.3. 二氧化硅吸附材料的研究现状
•     1.3.1. 二氧化硅材料
•     1.3.2. 功能化二氧化硅材料
•     1.3.3. 功能化二氧化硅基团种类影响的探究
•   1.4. 本课题研究的目的和主要内容
• 2的合成与表征'>第二章 功能化SiO₂的合成与表征
•   2.1. 引言
•   2.2. 实验部分
•     2.2.1. 实验仪器和设备
•     2.2.2. 实验试剂
• 2纳米微球'>    2.2.3. St?ber法合成SiO₂纳米微球
• 2的合成'>    2.2.4. 功能化SiO₂的合成
•   2.3. 实验结果与讨论
•     2.3.1. 水合粒径和扫描电镜分析
•     2.3.2. X 射线粉末衍射和比表面积分析
•     2.3.3. 红外光谱、能谱和X射线光电子能谱分析
•   2.4. 小结
• 2的吸附性能研究'>第三章 功能化SiO₂的吸附性能研究
•   3.1. 引言
•   3.2. 实验部分
•     3.2.1. 实验仪器和设备
•     3.2.2. 实验试剂
• 2纳米颗粒的吸附实验'>    3.2.3. 未修饰的 SiO₂纳米颗粒的吸附实验
• 2纳米颗粒的吸附实验'>    3.2.4. 功能化 SiO₂纳米颗粒的吸附实验
• 2纳米颗粒热重的分析实验'>    3.2.5. 功能化 SiO₂纳米颗粒热重的分析实验
•   3.3. 实验结果与讨论
• 2纳米微球吸附性能'>    3.3.1. 未修饰的SiO₂纳米微球吸附性能
• 2表面官能团接枝量研究'>    3.3.2. 功能化SiO₂表面官能团接枝量研究
• 2的吸附性能'>    3.3.3. 功能化SiO₂的吸附性能
•     3.3.4. 等温吸附模型和吸附动力学模型的拟合分析
•   3.4. 小结
• 2的吸附机理和理论计算分析'>第四章 功能化SiO₂的吸附机理和理论计算分析
•   4.1. 引言
•   4.2. 实验部分
•     4.2.1. 实验仪器和设备
•     4.2.2. 实验试剂
•     4.2.3. Zeta电位的测定
•     4.2.4. 密度泛函理论的计算方法和吸附模型的构建
•   4.3. 实验结果与讨论
•     4.3.1. Zeta电位对材料表面电荷的分析
• 2对Pb²⁺的吸附构型分析'>    4.3.2. 功能化SiO₂对Pb²⁺的吸附构型分析
•     4.3.3. 密度泛函理论的计算分析和吸附机理的探究
•   4.4. 小结
• 2在实际环境中应用的探究'>第五章 EDTA-SiO₂在实际环境中应用的探究
•   5.1. 引言
•   5.2. 实验部分
•     5.2.1. 实验仪器和设备
•     5.2.2. 实验试剂
•   5.3. 结果与讨论
•   5.4. 小结
• 第六章 结论与展望
•   6.1. 结论
•   6.2. 展望
• 参考文献
• 硕士期间科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 梁达豪

导师: 罗胜联,罗旭彪

关键词: 吸附,功能化二氧化硅,重金属,定量分析,理论计算

来源: 南昌航空大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 环境科学与资源利用

单位: 南昌航空大学

分类号: X703

总页数: 88

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