LDH在水污染中的應(yīng)用舉例

LDHs材料在水污染治理方面的應(yīng)用1LDHs材料概述Layereddoublehydroxides〔LDHs〕是由層間陰離子及帶正電荷層板堆積而成的化合物，LDHs的通式：[Mp+1-xM3+x(OH)2]x+An-x/n·yH2O，其中，Mp+為一價或二價金屬陽離子〔多為二價〕，M3+為三價的金屬陽離子，An－指價數(shù)為n的陰離子；x是每摩爾LDHs中M3+的摩爾數(shù)；y是每摩爾LDHs中結(jié)晶水的摩爾數(shù)。圖1.LDHs一般構(gòu)造圖LDHs材料制備方法共沉淀法離子交換法誘導(dǎo)水解法焙燒復(fù)原法溶膠-凝膠法微波輔助合成法Mg-AlLDHs對陰離子染料的脫色性能研究2LDHs在水污染治理方面應(yīng)用初始pH值對脫色率的影響層狀氫氧化鎂鋁處理活性深藍ST-2GLN染料適宜的pH值應(yīng)控制在4～10之間，此時脫色率到達最大值94.53%。焙燒產(chǎn)物處理活性深藍ST-2GLN染料適宜的pH值應(yīng)控制在3～11之間，此時脫色率到達最大值100%?？偟膩碚f，在較大的pH值范圍內(nèi)〔4~10〕，溶液初始pH對層狀氫氧化鎂鋁及其焙燒產(chǎn)物吸附染料效率的影響都較小。

圖9.初始pH值對吸附的影響層狀氫氧化鎂鋁對活性深藍ST-2GLN染料溶液的酸堿度有較好的緩沖作用，平衡溶液的pH值都大于6.88，這是因為當(dāng)初始pH值較低時，局部層狀氫氧化鎂鋁在酸性條件下溶解，消耗局部溶液中的氫離子，導(dǎo)致了溶液pH值的升高；當(dāng)初始pH值較高時，層狀氫氧化鎂鋁吸附溶液中的局部氫氧根離子，使初始溶液中的pH值有所下降。層狀氫氧化鎂鋁的焙燒產(chǎn)物在結(jié)構(gòu)重建過程中釋放出氫氧根離子，使平衡pH值在一定范圍內(nèi)較高且穩(wěn)定。圖10.初始pH值與平衡pH值得關(guān)系吸附劑投加量對脫色率影響當(dāng)層狀氫氧化鎂鋁投加量在0.2～1g/L之間時，隨著投加量的增加，脫色率逐漸增加，由63.55%增加到96.11%；當(dāng)投加量大于1g/L時，脫色率變化不明顯。所以層狀氫氧化鎂鋁的適宜投加量為1g/L。當(dāng)焙燒產(chǎn)物投加量在0.2～0.5g/L時，脫色率由73.87%增加到98.58%，此后隨投加量的增加脫色率變化不大，所以焙燒產(chǎn)物的適宜投加量為0.5g/L。圖11.投加量對吸附的影響吸附時間對脫色率的影響震蕩脫色60min，層狀氫氧化鎂鋁脫色率可到達95%以上；焙燒產(chǎn)物脫色率可達97%以上。圖12.吸附時間對吸附的影響表1LDHs及LDO吸附弱酸性艷藍RAWL的Langmuir和Freundlich等溫式參數(shù)從表中相關(guān)系數(shù)可以看出，在本實驗條件下，層狀氫氧化鎂鋁對弱酸性艷藍RAWL染料的吸附較好的符合Freundlich吸附模型；焙燒產(chǎn)物對弱酸性艷藍RAWL染料的吸附符合Langmuir吸附模型。

圖13固體X射線衍射圖層狀氫氧化鎂鋁及其焙燒產(chǎn)物的吸附機理

主要機理是離子之間的交換作用，因為層狀氫氧化鎂鋁層間有可交換的陰離子，它可以將各種陰離子如無機離子和有機離子、同多和雜多陰離子以及配合物陰離子引入層間，陰離子染料通過與層狀氫氧化鎂鋁層間的陰離子交換，靠靜電引力和強烈的化學(xué)吸附作用與之結(jié)合。同時，染料分子中存在著-NH2、-OH基團，也可能以氫鍵的形式參與吸附。另外，OrthmanJetal(2003)認為層狀氫氧化鎂鋁對水溶性陰離子染料溶液吸附存在兩種機理：外表吸附和離子交換。共沉淀法制備的Mg-AlLDHs對廢水中Cr6+吸附性能研究吸附動力學(xué)實驗由圖2可知，Mg-AlLDHs在20h左右時到達飽和，但是在2h的時候就可以到達95%的去除率。圖2.Mg-AlLDHs對Cr6+的吸附動力學(xué)實驗吸附熱力學(xué)實驗圖3.Mg-AlLDHs對Cr6+去除的吸附熱力學(xué)實驗由圖3可以知道，鎂鋁水滑石對Cr6+的吸附量隨著Cr6+的初始濃度的增加而增加。隨著Cr6+初始濃度的不斷增加，鎂鋁水滑石逐漸到達飽和狀態(tài)，曲線走勢平緩，趨于平衡。由圖4、圖5可知，Mg-Al水滑石對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到達200mg·L－1時，Mg-Al水滑石對Cr6+的飽和吸附量高達68mg·g－1，去除率到達85%，這一系列吸附結(jié)果說明鎂鋁水滑石對Cr6+的吸附效果十分顯著。圖4.Langmuir模擬曲線圖5.LDHs對Cr6+的等溫吸附曲線pH對吸附影響實驗由圖6可知pH在LDHs吸附去除有機陰離子污染物的過程中有著重要影響。并且發(fā)現(xiàn)在中性pH條件下，LDHs的吸附效果較好。競爭離子對吸附影響實驗由圖7可知，隨著NaCl濃度的增加，LDHs對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。共存陰離子的影響主要集中在各種無機陰離子。這種影響可歸結(jié)為：LDHs對于不同陰離子有著不同的親和力，往往傾向于結(jié)合那些半徑小帶負電荷多的陰離子。反響物濃度對吸附影響實驗由圖8可知，隨著Mg-AlLDHs投加量的增加，鉻離子的去除率增加。對于40mg·L－1，50mL的Cr6+溶液，0.1g的投加量可以到達98%的去除率，是實際生活中去除Cr6+的一個很好的選擇。對陰離子吸附機理〔猜測〕：(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)層間陰離子與有機陰離子污染物之間的離子交換作用。LDHs的一個重要性質(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。對Cr6+吸附機理〔猜測〕：外表沉淀、化學(xué)鍵合作用、靜電鍵合作用，在層間插入功能配體，與目標(biāo)陽離子形成螯合物。LDHs在酸性氣體污染方面應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)排放的酸性氣體是環(huán)境污染的主要成因，酸性氣體具有腐蝕性、毒性，同時也造成酸雨、溫室效應(yīng)等問題。如何有效脫除酸性氣體，已經(jīng)成為世界各國關(guān)注的焦點。G.Fornasari等探究含Pt、Cu的LDHs材料儲存-復(fù)原催化NOx的效果。結(jié)果說明：當(dāng)反響溫度低于200℃，Pt/Mg/Al-LDHs、Cu/Mg/Al-LDHs材料吸附NOx儲存性能高于Pt/Ba-Al2O3；Pt/Mg/Al-LDHs、Cu/Mg/Al-LDHs材料也能改善失活的SO2，低溫活性取決于這些材料堿性的上下。李嬙等合成一系列Mg/Al/Fe-LDHs材料，用來脫除低濃度SO2。結(jié)果說明：在600℃以上的焙燒溫度下，含鐵LDHs材料對SO2有較好的吸附效果；當(dāng)m(Fe)/m(Fe+Al+Mg)約為0.2時，吸附效果最正確，飽和硫吸附量為0.91g/g；吸附溫度強烈影響SO2的吸附行為。張驕佼等采用Mg/Al-LDHs凈化H2S氣體。結(jié)果說明：在pH為12，晶華溫度80℃時，制備的Mg/Al-LDHs材料最正確；在吸附溫度80℃時，反響5h，H2S氣體的去除率高達95%以上，穿透吸附容量高達45.54mg/g。研究說明，LDHs材料屬于堿性材料，可吸附大量酸性氣體，能減少溫室氣體的排放，防止酸雨，進而保護土壤、水體。

3LDHs在土壤污染處理方面應(yīng)用為了提高產(chǎn)量，農(nóng)業(yè)上使用大量的含氮磷的化學(xué)肥料。營養(yǎng)物質(zhì)在土壤中長期停留，導(dǎo)致土壤污染，影響耕地種植生產(chǎn)。防止和保護土壤環(huán)境不被污染成為十分重要的任務(wù)。張曉偉等制備了Mg/Al-LDHs材料并添加到土壤中，然后研究LDHs材料在土壤中對添加磷素的影響。結(jié)果說明：LDHs在土壤中對磷酸根具有吸附和解吸的作用，能夠延長土壤易解吸磷的釋放時間從而保持土壤肥力；Ca2+、Cl-、pH、腐植酸等因素會對LDHs與磷關(guān)系產(chǎn)生影響，Ca2+會降低易解吸磷的含量，pH在不同階段表現(xiàn)不同的效果，其他條件會增加易解吸磷的含量；在野外場地中，添加的磷素會因土壤固化和隨流水流失等因素而使其快速減少。研究說明，LDHs材料對土壤中施加磷素的低利用率、易流失等問題有一定的積極作用，可用于農(nóng)業(yè)土壤污染治理。4總結(jié)LDHs材料能夠?qū)Υ罅侩y降解物質(zhì)、無機離子、重金屬、酸性氣體等污染物進行有效的吸附，不但作為吸附劑投加量少和到達飽和的吸附時間短，而且該材料可以重復(fù)利用。因此，LDHs材料在環(huán)境污染治理中具有較高的研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。但是LDHs材料在環(huán)境污染治理應(yīng)用