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最新化学类论文 介孔γ-Fe2O3的制备及对弱酸性深蓝5R的吸附性能研究

2018-12-21 17:23:33来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘要:以硝酸铁和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为原料,采用固相法制备了介孔γ-Fe2O3纳米粒子,并以弱酸性深蓝5R为目标污染物,研究γ-Fe2O3对其吸附性能。通过X射线衍射(XRD)、N2吸附-脱附(BET)、和磁性测试(VSM)对制备的γ-Fe2O3进行表征和分析。结果表明,得到的介孔γ-Fe2O3纳米粒子的平均晶粒尺寸为20.0 nm,最大饱和磁化强度(MS)为46.2 emu/g,比表面积为135.9 m2/g;而且γ-Fe2O3对弱酸性深蓝5R的吸附过程拟合Langmuir吸附等温式,其极限吸附量为72.6 mg/g。

  关键词:介孔γ-Fe2O3 吸附 弱酸性深蓝

  1引言

  随着工业的发展,水资源受到严重污染。我国对染料的应用广泛,有大量的染料污水不能得到及时的处理。而且染料工业废水中含有大量的有机污染物,有机物污染物以烷烃类、取代苯类、多环芳烃类为主。而偶氮染料在染料工业上的应用已达到70%,偶氮染料在某些特殊条件下生成致癌的芬香类化合物,经过活化作用改变DNA引发癌症[2]。因此饮用水的污染已经威胁到人体健康。

  目前已知的水处理方法有,氧化法、膜分离法、电解法和吸附法。其中吸附法具有吸附范围广、选择性高、吸附率高、容易回收、循环利用等优点,已逐渐成为比较理想的废水处理方法。

  近年来纳米氧化铁在污水处理方面得到广泛的应用,纳米氧化铁对水中的有毒金属、有机卤代物、无机离子有很好的去除能力。介孔氧化铁的孔道结构有助于提高吸附剂对有机染料的吸附性能,其磁响应性能能够将吸附剂从废水中分离出来。而且介孔γ-Fe2O3具有比表面积大、种类繁多、可重复利用、制备方法多且简单,在水处理方面具有很大的研究价值[8]。本文采用十六烷基三甲基溴化按(CTAB)和硝酸铁为原料,通过固相法制备介孔γ-Fe2O3,并对5R进行了吸附实验。

  2实验

  2.1实验仪器和试剂表

  表1 实验药品和试剂

  表2实验仪器与设备

  2.2介孔γ-Fe2O3的制备

  准确称取4.5 g硝酸铁和0.5 g CTAB于研钵中混合研磨1.5 h,自然晾干,得到黄色粉末。将黄色粉末放入管式电炉中于200℃下加热2 h,得到样品。将硝酸铁和CTAB为原料经加热所制备的样品命名为S-C10,直接加热硝酸铁所制备的样品命名为S-C0。

  2.3介孔γ-Fe2O3对5R的吸附性能研究

  以γ-Fe2O3为吸附剂,对模拟染料废水5R做吸附实验。分别试验了吸附剂用量、染料溶液酸碱度、吸附实验进行的时间长短以及5R初始浓度对吸附效果的影响。

  准确移取20 mL一定浓度的染料溶液,置于150 mL 锥形瓶中,用NaOH 或HCl调节pH值,加入一定量γ-Fe2O3,在室温下振荡一定时间,磁性分离,取上清液,用分光光度计在最大吸收波长λ=566 nm处测试吸光度。

  3实验结果与讨论

  3.1样品的XRD图

  图1样品S-C0和S-C10的XRD图

  图1为样品S-C0和S-C10的XRD图。由1图可以看出,样品S-C10的XRD图中出现了6与γ-Fe2O3的标准卡位置一致的衍射峰,即2θ=30.3º、35.7º、43.3º、53.8º、57.3º和63.0º处的衍射峰分别对应于γ-Fe2O3(220)、(311)、(400)、(422)、(511)和(440)晶面[9],说明由硝酸铁和CTAB为原料经研磨加热后所制备的样品为γ-Fe2O3纳米粒子。而样品S-C0的XRD图中未出现γ-Fe2O3的特征衍射峰,说明直接加热硝酸铁未生成γ-Fe2O3。由Scherrer公式计算出样品S-C10的晶粒尺寸为20.0 nm。

  表3样品S-C10的d值与JCPDS卡片标准值的对比

  S-C10(Å)(标准)γ-Fe2O3(Å)(标准)Fe3O4(Å)hkl2.9557

  2.5134

  2.0868

  1.7021

  1.6027

  1.47292.9530

  2.5177

  2.0886

  1.7045

  1.6073

  1.47582.9670

  2.5320

  2.0993

  1.7146

  1.6158

  1.4845220

  311

  400

  422

  511

  440由于γ-Fe2O3和Fe3O4都属于尖晶石型晶体,导致它们的XRD特征衍射峰的位置非常相近[10]。因此从XRD图很难确定产物到底是哪一个。但是可用样品XRD的衍射峰所对应的晶面间距d值来进行判断。表3给出样品S-C10,标准γ-Fe2O3(JCPDS(NO.39-1346))和标准Fe3O4(JCPDS(NO.19-629)的d值。通过比较发现样品的d值都与γ-Fe2O3的数据基本一致,由此证明制得的样品为γ-Fe2O3。

  3.2样品的N2吸附-脱附曲线及孔径分布分析

  图2 γ-Fe2O3的N2吸附-脱附曲线 图3 γ-Fe2O3的孔径分布图

  图2和图3分别为γ-Fe2O3的N2吸附-脱附曲线及孔径分布图。由图2可知,样品的N2吸附-脱附等温线为LangmuirⅣ型,相对压力在0.4~1.0间出现了明显的H3型滞后环,说明γ-Fe2O3具有介孔结构[11]。由BET测试结果可知,γ-Fe2O3的比表面积为135.9 m2/g,孔容为0.239 cm3/g。由图3可知,实验所得γ-Fe2O3的最可几孔径为3.4 nm,属于介孔范围。

  3.3磁性测试

  图4 γ-Fe2O3的室温磁滞回线图

  图4为γ-Fe2O3的室温磁滞回线图。由图4可知,介孔γ-Fe2O3有一定的剩磁和矫顽力,有磁滞损失[12],表明制备的介孔γ-Fe2O3具有铁磁性。其最大饱和磁化强度(Ms)为46.2 emu/g。

  3.4介孔γ-Fe2O3对弱酸性深蓝吸附性能的研究

  3.4.1弱酸性深蓝的标准曲线

  表4 5R的标准曲线方程及相关系数R2

  标准曲线方程R2y=0.0172x+0.01490.9997由表4可知,5R的标准曲线方程为y=0.0172x+0.0149,线性相关系数R2为0.9997,说明5R溶液浓度的线性关系很好。

  3.4.2染料溶液pH对吸附的影响

  图5 溶液pH对吸附率的影响

  图5为不同pH下介孔γ-Fe2O3对5R的吸附率关系图。由图5可知,介孔γ-Fe2O3对5R的吸附率随着溶液pH的增大而减小;当pH=2时,吸附率为93.1%;当pH=12时,吸附率为45.3%。所以后续吸附实验中把溶液pH均调至2。

  3.4.3吸附剂用量对吸附的影响

  图6吸附剂用量对吸附率的影响

  图6为γ-Fe2O3的用量与5R吸附率的关系图。由图6可知,随着介孔γ-Fe2O3用量的增加,其对5R的吸附率逐渐上升;吸附剂用量在10 mg~50 mg之间变化时,吸附率急剧增加;当吸附剂用量增加到100 mg时,吸附率为97.7%,基本达到吸附平衡。所以后续吸附实验中将附剂用量均固定为100 mg。

  3.4.4吸附时间对吸附的影响

  图7吸附时间对吸附率的影响

  图7为吸附时间与5R吸附率的关系图。由图7可知,介孔γ-Fe2O3对5R的吸附率随着时间的延长逐渐上升;当吸附时间为30 min时,吸附率达到99.9%,之后基本趋于稳定。所以在后续吸附实验中将吸附时间固定为60 min。

  为了探究介孔γ-Fe2O3对5R的吸附动力学,用准一级和准二级吸附动力学模型进行了拟合。拟合结果如下:

  图8准一级动力学模型拟合图 图9准二级动力学模型拟合图

  表5两种动力学模型的拟合相关数据

  C0

  (mg/L)qe

  (mg/g)准一级准二级k1(min-1)qe(cal)

  (mg/g)R2k2(min-1)qe(cal)

  (mg/g)R210019.980.06567.10.94220.017120.700.9990图8和图9为两种动力学模型拟合图。由图8及图9得,5R的准一级动力学方程为y=0.06556x+1.96229,准二级动力学方程为y=0.04832x+0.13636。由5R的两个动力学方程得到表5。由此可知,拟合准二级动力学模型算出的qe(20.70 mg/g)与实验值qe(19.98 mg/g)相差不大,说明介孔γ-Fe2O3对5R的吸附更符合准二级动力学模型。

  3.4.5弱酸性深蓝初始浓度对吸附的影响

  图10溶液初始浓度吸附率(a)和吸附量(b)的影响

  图10为5R初始浓度与吸附率和吸附量的关系图。由图10 (a)可知,随着浓度的增加介孔γ-Fe2O3对5R的吸附率逐渐下降;当染料初始浓度为50 mg/L时吸附率为99.8%。由图10 (b)可知,随着初始浓度的增加介孔γ-Fe2O3对5R的吸附量迅速增大;当初始浓度增大至300 mg/L时吸附量开始缓慢增大,当浓度为600 mg/L时,吸附量达到了72.6 mg/g。

  为了更好的描述γ-Fe2O3对5R的吸附机理,采用Langmuir和Freundlich吸附理论对吸附数据进行了分析。拟合结果如下:

  图11 Langmuir吸附等温线 图12 Freundlich吸附等温线

  表6 样品对5R吸附的 Langmuir 和 Freundlich 参数

  LangmuirFreundlichq∞

  (mg/g)kLR2kFnR272.60.2030.991122.354.180.9065图11和图12为5R吸附的Langmuir吸附等温线和Freundlich等温线。由图11及图12 可知,5R的Langmuir吸附等温方程为y=0.01337x+0.056796;Freundlich吸附等温方程为y=0.02392x+3.1086。由5R的两个吸附等温方程计算得到表6数据。经过拟合Langmuir等温线得到的R2=0.9911,拟合Freundlich等温线得到的R2=0.9065,说明介孔γ-Fe2O3对5R的吸附属于Langmuir吸附等温模型,属于单分子层吸附。由表6可以看出,由Langmuir吸附等温模型计算q∞=72.6 mg/g;由Freundlich吸附等温式可知1/n=0.23923小于0.5,说明介孔γ-Fe2O3对5R容易吸附。

  4结论

  本文采用固相法制备了介孔γ-Fe2O3,对样品进行了表征和分析。进一步以γ-Fe2O3为吸附剂,以5R为污染物进行了吸附试验,得到如下结果:

  (1)X射线衍射分析表明,在200℃下加热2h得到纯净γ-Fe2O3纳米粒子,其平均晶粒尺寸为20.0 nm。

  (2)由磁性和BET测试可知,所得γ-Fe2O3纳米粒子具有介孔结构,比表面积为135.9 m2/g,最大饱和磁化强度(Ms)为46.2 emu/g。

  (3)介孔γ-Fe2O3对5R的吸附率随pH的增大而减小,在酸性条件下吸附效果更好;介孔γ-Fe2O3对5R的吸附率在吸附剂用量为100 mg,吸附时间为60 min时达到97%以上,而且吸附过程符合准二级动力学模型。 介孔γ-Fe2O3对5R的吸附率随着初始浓度的增加而减小,且吸附量逐渐增大。数据拟合表明,介孔γ-Fe2O3对5R的吸附过程符合Langmuir吸附等温模型。

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