Mg-Al層狀雙金屬氫氧化物的制備及其吸附性能研究

尹仕豪，孫藝菡，李　明，高藝文，黃　蝶，饒品華

(上海工程技術(shù)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，上海　201620)

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Mg-Al層狀雙金屬氫氧化物的制備及其吸附性能研究

尹仕豪，孫藝菡，李明，高藝文，黃蝶，饒品華

(上海工程技術(shù)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，上海201620)

通過共沉淀法制備了Mg-Al層狀雙金屬氫氧化物(LDHs)并對(duì)其進(jìn)行Cr6+吸附性能的研究。動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Mg-Al水滑石對(duì)Cr6+的吸附效果明顯，在2 h的時(shí)候就可以達(dá)到95%的去除率；熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Mg-Al水滑石對(duì)Cr6+的吸附量隨Cr6+濃度的增加初期快速上升而后趨于穩(wěn)定。Mg-Al水滑石對(duì)Cr6+的等溫吸附數(shù)據(jù)符合Langmuir方程。在25 ℃時(shí)Mg-Al水滑石對(duì)Cr6+的飽和吸附量高達(dá)68 mg·g-1；而后主要對(duì)吸附影響因素進(jìn)行分析，結(jié)果表明Mg-Al水滑石受pH影響較大，溶液為中性時(shí)效果最佳；溶液中的無(wú)機(jī)陰離子會(huì)大大降低Mg-Al水滑石的吸附能力。

Mg-Al 水滑石；吸附；Cr6+離子；共沉淀吸附；影響

層狀雙金屬氫氧化物(簡(jiǎn)稱LDHs)又稱類水滑石，是由兩種或兩種以上金屬元素組成的具有水滑石層狀晶體結(jié)構(gòu)的氫氧化物。 LDHs具有層狀結(jié)構(gòu)，層片帶結(jié)構(gòu)正電荷，層間存在可交換陰離子，其晶體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　LDHs的晶體結(jié)構(gòu)示意圖

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1試劑與儀器

氯化鋁(六水)，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；氯化鎂(五水)，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

THZ-C臺(tái)式恒溫振蕩器，太倉(cāng)市實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠； AL104電子天平，梅特勒-托利多儀器有限公司；循環(huán)水式真空泵，鞏義市英谷予華儀器廠；DHG-9145型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥器，上海一恒科技有限公司；DZ-1型 磁力攪拌機(jī)，上海第二分析儀器廠。

1.2Mg-Al LDHs的制備

通常合成LDHs采用的是共沉淀法、離子交換法、誘導(dǎo)水解法、焙燒還原法[6]。本實(shí)驗(yàn)采用共沉淀法，即在恒定的pH值條件下，進(jìn)行雙滴定制得。

用MgCl2·5H2O和AlCl3·6H2O作為原料分別以摩爾比為3:1配制成混合鹽溶液，以1 mol/L的NaOH溶液為沉淀劑，采用液相共沉淀法制備Mg-Al LDHs。按pH值恒定法在高速攪拌下，將以1 mol/L的NaOH溶液與混合鹽溶液按照適當(dāng)?shù)嗡俦壤徛旌希沙恋恚旌象w系的pH值控制在10～12左右。實(shí)驗(yàn)證明滴定速率比例大概在1:7(NaOH溶液)左右效果最好。將溶液老化18 h后，抽濾，洗滌，然后將濾餅密封于玻璃瓶中，在80 ℃恒溫箱中加熱18 h左右，得到Mg-Al LDHs固體樣品。將得到的固體樣品研磨成粉末，即為試驗(yàn)所需的Mg-Al LDHs。

1.3平衡吸附實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取2 g的水滑石樣品于40 mL玻璃瓶中，分別加入濃度為5 mg·L-1，10 mg·L-1，25 mg·L-1，50 mg·L-1，100 mg·L-1，200 mg·L-1，300 mg·L-1的重鉻酸鉀溶液40.00 mL，30 ℃下置于恒溫振蕩器中振蕩，轉(zhuǎn)速為120 r/min，溫度設(shè)定為30 ℃，連續(xù)振蕩24 h后過濾并靜置1 h，測(cè)定平衡溶液中Cr6+濃度，平衡吸附量Qe按式(1)計(jì)算。

(1)

式中，C0和Ce分別為吸附前和吸附平衡時(shí)溶液中Cr6+的質(zhì)量濃度，W0為溶液中吸附劑的用量。

2　Mg-Al LDHs對(duì)Cr6+的吸附效果

2.1吸附動(dòng)力學(xué)

由圖2可知,Mg-Al LDHs在20 h左右時(shí)達(dá)到飽和，但是在2 h的時(shí)候就可以達(dá)到95%的去除率。

圖2　LDHs對(duì)Cr6+離子的吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

2.2吸附熱力學(xué)

圖3　LDHs對(duì)Cr6+離子去除的吸附熱力學(xué)曲線

由圖3可以知道,鎂鋁水滑石對(duì)Cr6+的吸附量隨著Cr6+的初始濃度的增加而增加。當(dāng)磷的初始濃度小于150 mg·L-1時(shí)，鎂鋁水滑石對(duì)Cr6+的吸附效果十分顯著，去除率在96%～99%之間。隨著Cr6+初始濃度的不斷增加，鎂鋁水滑石逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)，曲線走勢(shì)平緩，趨于平衡。由圖4、圖5可知,Mg-Al水滑石對(duì)Cr6+的等溫吸附數(shù)據(jù)符合Langmuir方程。當(dāng)鎂鋁水滑石初始濃度達(dá)到200 mg·L-1時(shí)，Mg-Al水滑石對(duì)Cr6+的飽和吸附量高達(dá)68 mg·g-1，去除率達(dá)到85%，這一系列吸附結(jié)果表明鎂鋁水滑石對(duì)Cr6+的吸附效果十分顯著。

圖4　langmuir模擬曲線

圖5　鎂鋁水滑石對(duì)Cr6+的等溫吸附曲線

2.3吸附機(jī)理分析

吸附機(jī)理的探討至關(guān)重要，有助于了解吸附劑-吸附質(zhì)兩者之間的相互作用關(guān)系，從而為優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，改善實(shí)驗(yàn)手段提供了可靠的依據(jù)。LDHs 對(duì)于水體中陰離子污染物的吸附去除機(jī)理，已經(jīng)有了很多的研究[7-8]。 作者認(rèn)為原因主要可分為以下兩點(diǎn)：

(1)層板正電荷與陰離子污染物間的靜電吸引作用。由于LDHs特殊的結(jié)構(gòu)使得其層板帶正電荷，對(duì)于水體中存在的陰離子污染物有著靜電力作用，從而起到去除污染的作用。

(2)層間陰離子與有機(jī)陰離子污染物之間的離子交換作用。LDHs的一個(gè)重要性質(zhì)便是層間陰離子的可交換性，所以LDHs被廣泛用于水體陰離子染物的去除。

3　Mg-Al LDHs吸附影響因素

3.1pH

圖6　pH對(duì)LDHs去除Cr6+離子的影響

3.2離子共存

圖7　NaCl對(duì)LDHs去除Cr6+離子的影響

由圖7可知,隨著NaCl濃度的增加，LDHs 對(duì)陰離子的去除率大大降低。LDHs 的去除原理相當(dāng)于是層間的Cl-離子與溶液中的Cr6+離子發(fā)生離子交換，而溶液中Cl-離子的增加將導(dǎo)致平衡左移，大大降低其吸附率。

當(dāng)前的研究中，共存陰離子的影響主要集中在各種無(wú)機(jī)陰離子。這種影響可歸結(jié)為：LDHs 對(duì)于不同陰離子有著不同的親和力，往往傾向于結(jié)合那些半徑小帶負(fù)電荷多的陰離子。

3.3投加量

圖8　LDHs投加量對(duì)Cr6+離子去除效果的影響

由圖8可知,隨著Mg-Al LDHs投加量的增加，鉻離子的去除率增加。對(duì)于40 mg·L-1，50 mL的Cr6+溶液，0.1g的投加量可以達(dá)到98%的去除率，是實(shí)際生活中去除Cr6+的一個(gè)很好的選擇。

4　結(jié)　論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，Mg-Al水滑石對(duì)Cr6+的吸附效果十分顯著，2 h 的時(shí)候就可以達(dá)到95%的去除率，飽和吸附量是68 mg·g-1。而且其等溫吸附數(shù)據(jù)符合Langmuir方程。雖然pH和溶液中的陰離子會(huì)對(duì)其吸附性能造成一定的影響，但如果使用得當(dāng)，Mg-Al水滑石將會(huì)是一種十分優(yōu)秀的去除Cr6+的吸附劑。因此Mg-Al水滑石可以在工業(yè)中進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于生活污水對(duì)鉻的去除中。

[1]汪大翚，徐新華，宋爽.工業(yè)廢水中專項(xiàng)污染物處理手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000:28-31.

[2]楊冬梅.鉻與人體健康[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008(30): 179.

[3]郭沛涌，陳克誠(chéng)，劉英.化學(xué)混凝法處理制革廢水中鉻 的研究[J].工業(yè)水處理，2008，28(9):37-39.

[4]張志軍，李玲，朱宏，等.化學(xué)沉淀法去除電鍍廢水中鉻 的實(shí)驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2008，31(7):96-98.

[5]鄧小紅，宋仲容.電鍍含鉻廢水處理技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā) 展趨勢(shì)[J].重慶文理學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，27 (5):70-73.

[6]郗麗娟，劉瑩，呂洪濱，等. 層狀雙金屬氫氧化物的制備及其在處理陰離子污染物方面的應(yīng)用[J].硅酸鹽通報(bào)，2013(8):1567-1572.

[7]周友飛，銘?zhàn)⒘Γ? 層狀雙金屬氫氧化物在有機(jī)污染物 吸附方面的應(yīng)用[J].水處理技術(shù)，2012，38(11):1-7.

[8]Peng Cai，Hong Zheng，Chong Wang，et al.Competive adsorption characteristics of fluoride and phosphate on calcined Mg-Al-CO3layered double hydroxides[J]. Journal of Hazardous Materials，2012，213-214(2):100-108.

Study on Synthesis and Adsorption Characteristics of Mg-Al Layered Double Hydroxides

YINShi-hao,SUNYi-han,LIMing,GAOYi-wen,HUANGDie,RAOPin-hua

(College of Chemistry and Chemical Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China)

Mg-Al layered double hydroxides (LDHs) were synthesized by co-precipitation and its adsorption capacity on Cr6+was studied. Kinetics experiment result showed that Mg-Al LDHs were effective in Cr6+adsorption and the removal ratio reached 95% within 2 h. Thermodynamics experiment result showed that the quantity of Cr6+sorption increased rapidly with the raise of Cr6+concentration at the initial stage and then approached to a constant level in later period. The Cr6+sorption of the Mg-Al LDHs fitted well with the Langmuir isotherm. The saturated adsorption capacity of Cr6+on the Mg-Al LDHs was found to be 68 mg·g-1on 25 ℃,indicated that the Mg-Al LDHs was a fine adsorbent material for removing Cr6+from the aqueous solution. Comparing adsorption efficiency of different adsorption conditions, the result showed that the adsorption capacity influenced by solution pH value and the neutral solution was the best adsorption condition in Cr6+removal. Besides, the anions in aqueous solution will reduce the Cr6+adsorption capacity of Mg-Al LDHs.

Mg-Al LDHs; adsorption；Cr6+ion; coprecipitation adsorption

X52

A

1001-9677(2016)03-0084-03