NiMgFe-LDHs的制備及性能研究

王竹青,袁東,廖琴瑤,任怡,曾晨,陳琦

(1.四川輕化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院,四川 自貢 643000;2.四川輕化工大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,四川 自貢 643000)

偶氮染料作為著色劑，廣泛應(yīng)用于紡織、皮革、油漆等行業(yè)，染料廢水排放到水體中，會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[1-3]。金橙II是一種典型的偶氮染料，具有潛在的致癌性和較差的生物降解性[4]。目前處理染料廢水的方法有化學(xué)、物理和生物法[5-9]，其中物理吸附法因經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便而具有很大的吸引力。

水滑石(LDHs)是一種由二價(jià)和三價(jià)金屬離子氫氧化物組成的層狀雙金屬氫氧化物，具有大的比表面積、特殊的層狀結(jié)構(gòu)和層間陰離子可交換性等特征，在吸附去除污染物領(lǐng)域顯現(xiàn)出較大的潛力[10-13]。本文采用水熱法制備了一種新型NiMgFe三元水滑石材料，研究了這種水滑石對(duì)金橙II染料廢水的降解效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

硝酸鎳、硝酸鎂、硝酸鐵、鹽酸、氫氧化鈉、無(wú)水乙醇均為分析純；金橙II，生物染色劑。

AR1140型電子分析天平；AS-7240AT型超聲波清洗儀；DHG-9140B型鼓風(fēng)干燥箱；TGL-16G型高速離心機(jī)；DF-101S型恒溫磁力攪拌器；Stearter210型pH計(jì)；HZS-H型水浴振蕩器；D2 PHASER型X射線衍射儀；TENSOR 27型傅里葉變換紅外光譜儀；VEGA 3SBU型掃描電子顯微鏡；V-1000型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)。

1.2 NiMgFe水滑石的制備

稱取硝酸鎳1.164 g、硝酸鎂1.536 g、硝酸鐵1.01 g于燒杯中，加入50 mL去離子水使其溶解。加入5 mL無(wú)水乙醇，磁力攪拌30 min。用2 mol/L的NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH至pH=10，并持續(xù)攪拌一段時(shí)間，使混合液充分?jǐn)嚢杈鶆?。在超聲波清洗機(jī)中超聲處理15 min，再磁力攪拌10 min后移入反應(yīng)釜，放入鼓風(fēng)干燥箱中，于140 ℃反應(yīng)24 h，自然冷卻。將反應(yīng)液高速離心(12 000 r/min，10 min)洗滌，直至上層清液的pH值為7。沉淀于80 ℃干燥24 h。研磨均勻，即得到NiMgFe層狀水滑石NiMgFe-LDHs。

1.3 水滑石材料的表征

采用D2 PHASER型X射線衍射儀分析材料的晶體結(jié)構(gòu)。采用VEGA 3型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察材料的表面形貌。采用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析材料的分子結(jié)構(gòu)。采用比表面及孔徑分析儀(BET)測(cè)定材料的比表面及孔分布。采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)分析材料的磁學(xué)性能。

1.4 吸附實(shí)驗(yàn)

將50 mL濃度20 mg/L的金橙II模擬廢水溶液調(diào)節(jié)pH值為5，加入20 mg的NiMgFe-LDHs，在室溫25 ℃用振蕩器振蕩30 min。離心分離,取上層清液，采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在波長(zhǎng)484 nm處測(cè)定金橙II溶液的吸光度，計(jì)算NiMgFe-LDHs對(duì)金橙II模擬廢水的去除率和吸附量。

式中q——吸附容量，mg/g；

C0、Ct——溶液初始濃度和吸附平衡濃度，mg/L；

V——溶液的體積，mL；

m——水滑石的質(zhì)量，g；

R——去除率，%。

2 結(jié)果與討論

2.1 NiMgFe-LDHs的表征

2.1.1 XRD表征 圖1為NiMgFe-LDHs的XRD圖譜。

圖1 NiMgFe-LDHs的XRD譜圖Fig.1 XRD patterns of NiMgFe-LDHs

由圖1可知，在2θ位于10.956 9，22.204 9°處出現(xiàn)了(003)、(006)具有層狀結(jié)構(gòu)的特征衍射峰，峰型窄、尖且高。同時(shí)在2θ為34.018 7，35.412 1，59.605 2，60.776 5°處，分別存在(012)、(311)、(110)、(113)晶面特征衍射峰，不含其它雜峰?？芍?，該方法所制備的NiMgFe-LDHs結(jié)晶度較好、純度較高。

2.1.2 SEM表征 圖2為NiMgFe-LDHs材料的表面形貌。

圖2 NiMgFe-LDHs的SEM圖Fig.2 SEM patterns of NiMgFe-LDHs

由圖2可知，NiMgFe-LDHs具有明顯的片狀結(jié)構(gòu)，分散性較好，大小約為100 nm。

2.1.3 FTIR分析 圖3為NiMgFe-LDHs的FTIR譜圖。

圖3 NiMgFe-LDHs FTIR圖Fig.3 Infrared specturm of NiMgFe-LDHs

2.1.4 BET分析 NiMgFe-LDHs的N2吸附-脫附等溫線見(jiàn)圖4。

由圖4可知，NiMgFe-LDHs吸附-脫附曲線屬于IUPAC分類的IV型等溫線，H3型滯后環(huán)線的特征(P/P0)，表明制備的NiMgFe水滑石為介孔材料，比表面積93.765 9 m2/g，孔徑15.203 8 nm?？芍?，所制備的NiMgFe-LDHs比表面較大，具有良好的吸附性能。

圖4 NiMgFe-LDHs的N2吸附脫附等溫線Fig.4 N2 adsorption-desorption isotherms of NiMgFe-LDHs

2.2 NiMgFe水滑石吸附性能研究

2.2.1 pH值對(duì)去除率的影響 50 mL濃度為20 mg/L的金橙II溶液中加入20 mg NiMgFe-LDHs，在室溫25 ℃振蕩30 min。研究不同pH值下水滑石對(duì)金橙II去除率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 pH對(duì)去除率的影響Fig.5 Effect of pH on removal rate

由圖5可知，隨著溶液pH的增大,NiMgFe-LDHs對(duì)金橙II的去除率逐漸增大，pH達(dá)到5時(shí)，去除率最高。之后隨著溶液pH的增大而降低。這是由于LDHs在pH<3的環(huán)境中不穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)易坍塌，造成吸附率較低；而pH>5時(shí)，溶液中的OH-增多，會(huì)與金橙II陰離子的吸附產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致NiMgFe-LDHs對(duì)金橙II的吸附效率明顯下降。因此，選擇溶液的初始pH為5。

2.2.2 金橙II溶液初始濃度對(duì)去除率的影響 考察了NiMgFe-LDHs對(duì)不同初始濃度的金橙II去除效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖6。

由圖6可知，金橙II的去除率隨初始金橙II濃度的增加而降低。這是由于一定吸附劑的總吸附位點(diǎn)是確定的，污染物越少，去除率越高。選擇金橙II溶液的初始濃度為20 mg/L。

圖6 金橙II溶液初始濃度對(duì)去除率的影響Fig.6 Effect of initial concentration of golden Orange II on removal rate

2.2.3 振蕩時(shí)間對(duì)去除金橙II效果的影響 在pH=5，金橙II初始濃度20 mg/L，溫度25 ℃的條件下，考察了振蕩時(shí)間對(duì)去除金橙II的影響，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 振蕩時(shí)間對(duì)去除率的影響Fig.7 Effect of reaction time on removal rate

由圖7可知，振蕩時(shí)間40 min時(shí)，金橙II的去除率達(dá)到95.55%。進(jìn)一步增加振蕩時(shí)間，對(duì)去除率影響很小。因此，確定40 min為最佳振蕩時(shí)間。

2.2.4 吸附劑用量對(duì)去除金橙II效果的影響 NiMgFe-LDHs用量對(duì)金橙II去除效果的影響見(jiàn)圖8。

圖8 吸附劑用量對(duì)去除率的影響Fig.8 Effect of adsorbent dose on removal rate

由圖8可知，隨著吸附劑用量的增加，去除率提高，吸附劑用量20 mg時(shí)，去除率97.05%。這是由于吸附劑越多，結(jié)合金橙II的活性位點(diǎn)就越多。當(dāng)NiMgFe-LDHs用量由20 mg增加到30 mg時(shí)，金橙II的去除率增加幅度很少，這是由于金橙II差不多已被完全吸附。故選吸附劑用量為20 mg。

2.3 吸附動(dòng)力學(xué)研究

在溫度為25 ℃，50 mL濃度20 mg/L金橙Ⅱ溶液，NiMgFe-LDHs用量25 mg的條件下，進(jìn)行吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。分別采用準(zhǔn)一級(jí)和二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 NiMgFe-LDHs對(duì)金橙Ⅱ的吸附動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 1 Kinetics parameters of the adsorption for golden Orange II adsorption onto the NiMgFe-LDHs

由表1可知，金橙Ⅱ準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型相關(guān)系數(shù)R2高于準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的R2，表明NiMgFe-LDHs對(duì)金橙Ⅱ的吸附更符合準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)，吸附過(guò)程為化學(xué)吸附所主導(dǎo)。

2.4 吸附等溫線

采用Langmuir與Freundlich模型擬合溫度分別為25，40，50 ℃時(shí)，NiMgFe-LDHs對(duì)金橙Ⅱ的吸附等溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 NiMgFe-LDHs對(duì)金橙Ⅱ的吸附等溫線參數(shù)Table 2 Langmuir and Freundlich isotherm parameters for golden Orange II adsorption onto the NiMgFe-LDHs

式中ce，qe——吸附質(zhì)在溶液中的平衡濃度(mg/L)和吸附容量(mg/g)；

kl，kr——各方程的吸附平衡常數(shù)；

qm——飽和吸附量,mg/g；

n——常數(shù)。

由表2可知，Langmuir吸附等溫線方程更適合于描述金橙Ⅱ在NiMgFe-LDHs上的吸附行為，為單層且均衡的吸附；不同溫度時(shí)，NiMgFe水滑石對(duì)金橙Ⅱ的吸附量變化不大，說(shuō)明溫度對(duì)該吸附過(guò)程的影響較小。

2.5 NiMgFe-LDHs的再生利用

將吸附金橙Ⅱ后的NiMgFe-LDHs離心洗滌后置于馬弗爐中，在500 ℃下焙燒4 h，進(jìn)行熱再生。再生的材料再次用于吸附實(shí)驗(yàn)，吸附-再生循環(huán)3次，結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 NiMgFe-LDHs的可重復(fù)利用性Fig.9 Reusability of NiMgFe-LDHs

由圖9可知，經(jīng)過(guò)3次再生利用后，NiMgFe-LDHs對(duì)金橙Ⅱ的去除率雖有下降，但仍可達(dá)90.11%，這是由于水滑石具有“記憶效應(yīng)”，但在其結(jié)構(gòu)重建過(guò)程中，水滑石結(jié)晶度的逐漸降低，導(dǎo)致吸附能力有一定的下降。

3 結(jié)論

硝酸鎳、硝酸鎂和硝酸鐵為原料，采用水熱法制備了NiMgFe層狀雙氫氧化物NiMgFe-LDHs考察了溶液pH值、吸附時(shí)間、吸附劑投加量、金橙Ⅱ初始濃度等對(duì)NiMgFe-LDHs吸附效果的影響。結(jié)果表明，當(dāng)pH為5，吸附劑用量20 mg，吸附時(shí)間40 min時(shí)，NiMgFe水滑石對(duì)50 mL初始濃度為20 mg/L金橙Ⅱ吸附率達(dá)97.05%。NiMgFe-LDHs易于再生，循環(huán)利用3次的NiMgFe水滑石對(duì)金橙Ⅱ保持良好的吸附性能，吸附效率均大于90%。其吸附過(guò)程較為符合準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型和Langmuir等溫線模型。