层状镁铝水滑石和二氧化锰的剥离与复合及吸附性能研究

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:sqtian
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近年来,由于在传感器、光催化、电容器、吸附等方面表现出的优异性能,2D纳米材料已经成为材料研究领域的一个焦点研究课题。目前,核能在人类生活中发挥着越来越重要的作用,吸附法被公认为一种新型、高效、经济的铀分离富集方法,具有很好的应用前景。2D纳米材料相对于块体材料展现出了更多的暴露界面或晶面,为吸附质的吸附提供了更多吸附位点,在铀吸附方面更具优势。本论文提出了三种有效的层状材料溶液剥离法,成功的制备了超薄LDHs 2D纳米片和MnO2 2D纳米片。通过SEM、TEM、XRD等测试手段,对产物进行了考察。并将剥离产物E-LDHs和E-MnO2分别与Fe3O4磁性基质复合,成功的制备了Fe3O4@E-LDHs和Fe3O4@E-MnO2磁性复合微粒用于铀吸附性能研究。复合物中Fe3O4的引入实现了吸附剂的快速有效回收,解决了铀吸附过程中吸附剂回收困难的问题。以Mg/Al-CO32-LDHs为前躯物,NH4NO3为层板扩充剂,甲酰胺为剥离液成功的制备了Mg/Al LDHs超薄纳米片。实验得到的剥离产物E-LDHs为一完全透明的胶状物质,具有明显的丁达尔效应,该物质是一种典型的2D材料,直径在几百个纳米之间,厚度约为8.7 nm。利用E-LDHs制备甲基橙(MO)吸附膜,MO吸附后,样品很好的保持了LDHs的层状结构特征,MO-离子是以平行于LDHs层板的方式进入LDHs层间。以Fe3O4磁性物质为基质,成功的制备了Fe3O4@E-LDHs复合物,该复合物尺寸12μm,表面凹凸不平,数个Fe3O4球形颗粒通过LDHs紧密的粘结在一起。该复合物具有良好的磁响应,饱和磁化强度为23.5 emu/g。研究显示,Fe3O4@E-LDHs对铀具有很好的吸附性能,当Fe3O4@E-LDHs用量0.01 g,铀初始浓度121.1 mg/g,吸附时间2 h,吸附温度25℃,pH=5时,吸附容量达到了224.6 mg/g。动力学研究表明,Fe3O4@E-LDHs对水体中铀离子的吸附更符合准二级动力学模型,其拟合相关系数R2达到0.9999。Freundlich与Langmuir等温吸附模型相比,Langmuir等温吸附方程能更好的描述Fe3O4@E-LDHs对铀的等温吸附行为。热力学研究表明,Fe3O4@E-LDHs对铀吸附在不同温度下(35)G0均小于0,(35)H0值均大于0,证明了Fe3O4@E-LDHs吸附铀的过程具有自发性,且过程为一吸热过程。以层状K-MnO2作为前躯体,通过质子化交换和溶液剥离两步骤制备了E-MnO2超薄纳米片。该纳米片厚度约为5.2 nm,即7个MnO2层,具有自发堆垛和卷曲的趋势。研究显示通过TMAOH处理,产物(001)及(002)峰位置逐渐向低角度偏移,反应后(001)峰分别在10.959°、9.480°和7.351°处出现,与之相对应的层间距分别为0.8074 nm、0.9330 nm和1.2027 nm,与H-MnO2层间距0.7198 nm相比增大了很多。同时,还有部分MnO2已经完成了从规则的层状构造向非晶体结构的转变。通过剥离产物E-MnO2与磁性基质Fe3O4的复合成功的制备了Fe3O4@E-MnO2复合物。该复合物尺寸约为几微米,复合物中MnO2包覆在Fe3O4颗粒周围,数十个Fe3O4球形颗粒通过MnO2紧密的粘结在一起,该产物具有良好的磁响应,饱和磁化强度为41.6emu/g。实验制备的Fe3O4@E-MnO2复合物对铀具有很强的吸附性能。在Fe3O4@E-MnO2用量0.01 g,Co=121.1 mg/g,吸附时间6 h,吸附温度25℃,pH=7时,吸附容量达到了243.4 mg/g。增大铀初始浓度,Fe3O4@E-MnO2吸附容量显著提高,当C0=688.9 mg/g,吸附温度45℃时,吸附容量达到1325.8 mg/g。动力学研究表明,Fe3O4@E-MnO2对水体中铀离子的吸附更符合准二级动力学模型,其拟合相关系数R2达到0.9903。Freundlich与Langmuir等温吸附模型相比,Langmuir等温吸附方程能更好的描述Fe3O4@E-MnO2对铀的等温吸附行为。热力学研究表明,Fe3O4@E-MnO2对铀吸附在不同温度下(35)G0均小于0,(35)H0值均大于0,证明了Fe3O4@E-MnO2吸附铀的过程具有自发性,且过程为一吸热过程。以H2O2作为反应物,将LDHs层状材料剥离成超薄纳米片,实现了LDHs层状材料剥离的一步完成。改变H2O2的浓度分别为0 wt%,10 wt%,20 wt%和30 wt%研究H2O2对整个剥离过程的影响。结果显示随着H2O2含量的增加,产物LDHs的结晶度下降,层间距增大。当双氧水含量为30 wt%时,剥离产物为透明胶状物质,该物质由大量超薄纳米片组成,大小为50100 nm,厚度为1.4 nm,大约两个水滑石层厚。TG-DSC结果显示该方法制备的LDHs剥离产物具有较高的热稳定性。
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