层状过渡金属氧化物的设计与合成及其对氟的去除研究.pdfVIP

摘要 氟污染已经成为全世界关注的环境问题。吸附法被视为去除过量的氟化物最为经济高效绿色环 保的方法。然而，较低的吸附量和较长的吸附平衡时间限制了许多吸附剂的实际应用。层状过渡金 属氧化物具有大的比表面积和多孔结构，能够提供大量的活性位点用于水中氟的去除。同时，对氟 亲和的金属氧化物可以提升对氟的吸附性能和选择性。因此，设计和合成具有结构和组成优势的层 状多孔金属氧化物吸附剂可以高效去除水中的氟。本论文的研究内容如下： （1）首次采用简单绿色的水热法结合煅烧法成功地制备了新型花状分层锌镁铝三元金属氧化物 （CZMA ）微球，并将其作为吸附剂用于吸附去除水中的氟，制备过程无需任何表面活性剂或模板。 同时运用微观、光谱、衍射和热分析技术对该吸附剂进行了表征。FESEM 表征表明前驱体由直径约 100 nm 的纳米片自组装而成，平均直径为8.74 μm 。通过批量吸附实验分析了前驱体和CZMA 的氟 吸附性能。结果表明，Langmuir 等温线模型可以良好的拟合样品的氟吸附行为，在中性和室温条件 下的最大吸附量达到84.24 mg/g。准二级动力学模型良好的拟合吸附动力学数据。此外，再生实验表 明该吸附剂具有良好的再生性能。XPS 、FT-IR 和Zeta potential 表征结果表明，吸附机理为离子交换 和静电相互作用。通过对新疆维吾尔自治区奎屯地区的高氟地下水的吸附测试表明，CZMA 有望成 为环境修复中净化废水的高效快速的吸附剂。 （2 ）通过简单绿色的水热法结合煅烧法合成了新型的绣球状分层多孔锌锆双金属氧化物微球 （HPZZ ），用于增强对水溶液中氟的吸附。由于其独特的结构和组分优势，新设计的吸附剂具有优 异的吸附性能（107.41 mg/g），且优于大多数基于金属氧化物的吸附剂。通过时间进化实验表明前驱 体经历了成核、生长、自组装和Ostwald-ripening 过程。此外，共存阴离子对HPZZ 吸附性能影响较 小。更重要的是，HPZZ 与氟离子之间的吸附机理为静电相互作用，络合和离子交换。通过对新疆奎 屯地区的高氟地下水的吸附测试表明，HPZZ 是一种快速有效的地下水净化吸附剂。因此，这项工作 开发了一种用于除氟的新型活性材料，该工作在环境修复方面具有重要意义。 （3 ）通过简单绿色的水热法结合煅烧法合成了新型的分层中空锰镁铝三元金属氧化物（MMA ）。 将对氟离子具有强亲和力的 Mn、Mg 和Al 元素的金属氧化物的先进结构和功能优势相结合，制备 出具有大比表面积的分层空心结构，这可以显著促进氟离子的迁移和扩散，并提供更多的质量扩散 通道用于除氟。大型仪器表征技术和批量吸附实验结果证实，吸附机理为静电相互作用、络合和离 子交换。本方法扩展了用于环境修复应用的先进高效吸附剂材料的精确设计和合成思路。 关键词：层状多孔结构；过渡金属氧化物；吸附；氟；吸附机理 I Abstract Fluoride pollution has become an environmental issue of worldwide concern. Adsorption is considered the most cost-effective and environmentally friendly method for removing additional fluoride. However, low adsorption capacity and long adsorption equilibrium time limit the practical application of many adsorbents. Hierarchical transition metal oxides can provide abundant active sites for fluoride removal owing to their large specific surface area and porous structure. At the same time, metal oxides with a high-affinity element for fluoride can improve adsorption perfor