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以棉花为模板制备羟基磷灰石去除水体中铅和镉的研究

作　者: 沈秋莹
导　师: 潘学军
学　校: 昆明理工大学
专　业: 环境工程
关键词: 棉花形貌中空结构羟基磷灰石铅镉机理
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着工业生产的发展,人类面临的环境问题日益突出。水污染是人类面临的环境问题之一,而含重金属离子工业废水所造成的环境问题尤其严重。重金属对人类健康和生态环境的危害受到全社会的关注,已成为环境治理研究的热点和难点。本论文首次采用棉花为生物模板制备了具有棉花形貌和中空结构的羟基磷灰石(HAP),并将其应用于吸附水中重金属离子——Pb2+和Cd2+。采用X射线粉末衍射仪、扫描电镜、比表面积测定仪表征了所制HAP的物相组成、形貌、颗粒尺寸和比表面积。考察了溶液pH值、吸附时间、温度、金属离子初始浓度对HAP吸附重金属的影响；并用准二级动力学方程、Langmuir等温吸附模型、Freudlich等温吸附模型及热力学方程对实验结果进行模拟分析。通过分析反应前后pH的变化,以及对比原始HAP与吸附产物的变化,探讨吸附机理。本研究包括两部分内容：(1)首次使用棉花为模板制备HAP,并通过控制煅烧温度调控其微观形貌,研究了煅烧温度对HAP形貌的影响。煅烧温度在400-700℃范围内,HAP保持了棉花形貌和中空结构,但煅烧温度升高到800℃和900℃时,棉花形貌和中空结构消失,出现块状结构。同时HAP颗粒的形状和大小随煅烧温度的上升有明显变化：400℃～500℃可得到纳米级棒状颗粒；600℃～700℃开始出现层状结构；800℃时可见椭圆形片层结构形成束状结构；900℃煅烧得到球状颗粒。(2)500℃煅烧6小时得到的HAP纳米级棒状颗粒可组装成棉花形貌和中空结构,颗粒间堆积形成的介孔可有效增加材料的比表面积。因此用该温度和时间煅烧出的HAP吸附水溶液中的重金属铅和镉,优化吸附条件并讨论吸附机理。溶液pH值是影响具有棉花形貌和中空结构的HAP吸附水体中铅和镉的重要因素,最佳pH分别为2.5和6.5。在5-55℃范围内,随着温度的升高,铅和镉的吸附容量都增加,表明HAP吸附重金属铅和镉都是吸热过程。吸附动力学表明,吸附铅和镉的平衡时间都较快,分别为50min和120min。吸附动力学均符合准二级动力学模型(R2=0.9998,R2=0.9998)。吸附等温线研究结果表明,HAP对铅和镉的吸附均符合Langmuir和Freundlich模型,但Langmuir模型拟合更佳(R2=0.99731,R2=0.95924),对铅和镉的最大吸附容量分别为1690.2mg/g和97.08mg/g。根据原始HAP和吸附后产物的X射线粉末衍射图谱、扫描电镜和透射电镜图片及比表面积变化分析材料吸附溶液中重金属Pb2+和Cd2+的机理。材料吸附Pb2+的机理随起始pH的变化而变化,pH为2.5时溶解-沉淀机理为主；pH在4.5-6.5之间离子交换机理占主导；pH为3.5时,材料吸附Pb2+的能力最差,主要是溶解-沉淀和离子交换两种机理竞争造成的；pH大于7.5时会形成Pb2+的氢氧化物沉淀。材料吸附Cd2+的机理主要是离子交换反应,并伴随有表面络合和表面静电吸附。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-10
插图和附表清单  10-12
第一章绪论  12-15
  1.1 课题背景和意义  12-13
  1.2 研究内容及方法  13-14
  1.3 创新点  14-15
第二章文献综述  15-27
  2.1 重金属废水的来源与危害  15-16
    2.1.1 重金属废水的来源  15
    2.1.2 重金属的危害  15-16
  2.2 重金属废水的处理方法  16-20
    2.2.1 化学法  17-18
    2.2.2 物理化学法  18-19
    2.2.3 生物法  19-20
  2.3 HAP吸附重金属的研究进展  20-27
    2.3.1 HAP的合成方法  20-22
    2.3.2 HAP的改性方法  22-23
    2.3.3 HAP吸附重金属的影响因素  23-24
    2.3.4 HAP吸附重金属的机理  24-27
第三章实验材料及方法  27-34
  3.1 实验材料  27
    3.1.1 实验原料与试剂  27
    3.1.2 实验仪器  27
  3.2 实验方法  27-34
    3.2.1 具有棉花形貌和中空结构的HAP制备方法  27-28
    3.2.2 吸附实验方法  28-30
    3.2.3 分析检验及产物表征实验方法  30-31
    3.2.4 吸附计算模型  31-34
第四章具有棉花形貌和中空结构的纳米HAP颗粒的制备  34-41
  4.1 引言  34
  4.2 共沉淀法制备HAP  34-35
  4.3 温度对HAP形貌的影响  35-38
    4.3.1 温度对晶型的影响  35
    4.3.2 温度对形貌的影响  35-36
    4.3.3 温度对HAP比表面积和孔容、孔尺寸分布的影响  36-38
  4.4 机理分析  38-39
  4.5 本章小结  39-41
第五章具有棉花形貌和中空结构的HAP处理重金属废水  41-67
  5.1 引言  41
  5.2 HAP吸附重金属铅  41-53
    5.2.1 pH的影响  41
    5.2.2 温度的影响  41-43
    5.2.3 时间的影响  43-45
    5.2.4 起始浓度的影响  45-47
    5.2.5 原始材料及吸附后产物的表征  47-52
    5.2.6 吸附机理分析  52-53
  5.3 HAP吸附重金属镉  53-65
    5.3.1 pH的影响  53-54
    5.3.2 温度的影响  54-56
    5.3.3 时间的影响  56-57
    5.3.4 起始浓度的影响  57-59
    5.3.5 吸附剂及吸附后产物的表征  59-64
    5.3.6 吸附机理分析  64-65
  5.4 本章小结  65-67
第六章结论与展望  67-70
  6.1 结论  67-68
  6.2 展望  68-70
致谢  70-71
参考文献  71-82
附录A 攻读硕士期间发表论文目录  82-83
附录B 攻读硕士学位期间参与科研项目  83-85

以棉花为模板制备羟基磷灰石去除水体中铅和镉的研究

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