改性凹凸棒石吸附剂MXF2的制备与应用研究
目录
1引言 3
1.1凸凸棒石开发应用现状 3
1.2改性凹土及其吸附性的应用 9
1.3吸附剂的种类及各自优缺点 13
1.4本课题研究方向 14
2 实验部分 15
2.1实验试剂 15
2.2实验仪器 15
2.3实验方法 16
2.4实验原理 17
3结果与分析 17
3.1未改性凹土吸湿率的测定 17
3.2 改性凹土吸湿率的测定 18
结 论 20
致 谢 21
参 考 文 献 22
1引言
VOC是一类对人体健康有害的挥发性有机化合物。VOC的主要来源在室外，主要来自燃料燃烧和交通运输：而在室内则主要来自燃煤和天然气等燃烧产物、吸烟、采暖和烹调等的烟雾，建筑和装饰材料,家具、家用电器，家具、清洁剂和人体本身的排放等。当居室中VOC浓度超过一定浓度时，在短时间内人们感到头痛、恶心、呕吐、四肢乏力；严重时会抽搐、昏迷、记忆力减退。VOC伤害人的肝脏、肾脏、大脑和神经系统。在凹凸棒石入几种物质进行表面改性并在一定温度下进行热处理后制成的干燥剂吸湿量大、成本低、能反复再生使用，可被广泛用于某些环境的除湿及某些气体的干燥。凹凸棒土具有其他粘土矿物不可比拟的优异的物理化学性能:吸附性能,以化学吸附为主,对工业生产排放的废水、 废气和废物中的重金属离子和有机苯系物有很强的吸附作用;流变性能,具有良好的流动性能和触变性能,适用于胶体泥浆、悬浮剂、触变剂和粘结剂,应用于地质钻探、地热钻井、石油钻井等方面;还有胶体性能,热稳定性能和抗盐性能等.此外,凹凸棒土无毒、无味、无刺激性,储量丰富,价廉易得,具有 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
十分广阔的应用前景,享“万土之王”之美称。然而,天然的凹凸棒石粘土包含一些矿物杂质,如蒙脱石、伊利石、碳酸盐、少量微粒石英和长石,可能堵塞孔道,降低表面积,影响吸附或离子交换性能。所以,如何发挥凹凸棒土的性能优势,利用天然的资源为我们创造更多的价值,一直是研究者努力探索的方向。通过研究总结发现,活化改性的方法可以除去天然凹凸棒土的杂质,增加表面积,提高其吸附和离子交换性能, 使凹凸棒土广泛地应用于吸附、脱色、胶体泥浆、催化剂及载体等领域.凹凸棒石粘土矿物的开发利用已经受到人们的关注,逐渐登上工业应用的舞台。
1.1凸凸棒石开发应用现状
1.1.1在无机-有机复合材料中的应用
机复合材料近年来已成为高性能复合材料的研究热点。将无机填料通过机械混合、溶液混合、熔融混合或原位聚合法添加到有机高分子材料中去，可以增加聚乙烯醇母体等材料的结晶速率和玻璃化转变温度，还可改善材料的力学性能和热稳定性。凹凸棒土具有纳米级尺寸和特殊的层链状结构，晶体呈针状，价格低、储量丰富，无疑是这类填料的首选。研究发现，ATP能均匀分散在尼龙6中，ATP的加入提高了复合物的晶体尺寸，并使材料的屈服强度达到最大值。将纳米ATP热处理后充填到聚四氟乙烯中形成ATP/PTFE复合物，结果发现：材料的耐磨性明显提高。用熔融混合法将ATP与聚琥珀酸丁酯混合形成 ATP/PBS纳米复合材料，与纯PBS相比，改性后复合材料的热变形温度和杨氏模量都有明显提高。ATP与水性聚氨酯或环氧聚合物混合，有机改性ATP与聚丙烯混合，ATP与PP、PC（聚碳酸酯）形成的三元纳米复合物，其中ATP的充填都能改善材料的力学性能和结晶行为，提高材料的热稳定性。除了用作塑料的填充剂，ATP也可以应用于纤维、橡胶等材料中。ATP与聚酯、聚乙烯醇、聚丙烯腈形成纳米复合纤维，可提高纤维的结晶度和结晶速率，促进纤维的定向，大大改善纤维的拉伸强力、 初始模量、断裂延伸率等力学性能。有机改性凹土与硅橡胶混合经辐射交联可提高硅橡胶的交联密度、力学性能和硬度等指标。
1.1.2在吸附方面的应用
作为吸附剂,要求吸附剂颗粒具有一定的机械强度(硬度、抗磨损能力和抗缩能力)、稳定性或化学惰性、不易燃烧,且具有较高的液体吸收能力。凹凸棒土作为吸附剂在对废水、废气、有机废弃物的去除、分离和脱色方面发挥了非常大的使用价值。
1.1.2.1 凹凸棒土去除废水中的重金属离子
凹凸棒土对重金属离子的吸附机理一般有表面络合、金属离子与凹凸棒土八面体阳离子的置换和凹凸棒土诱导金属离子水解沉淀等。表面络合是一种特殊的吸附作用,它是由表面功能基团(Si-OH)和周围环境中的离子配位形成稳定的单元。而离子交换是金属与带电的矿物表面由于较弱的静电引力形成外轨型配合物。最常见的与粘土矿物结合的交换性阳离子是:Ca2+、Mg2+、H+、K+、NH4 +、 Na+、A13+等。天然的凹凸棒土形成过程中因类质同象等作用使其表面带负电荷, 具有吸附阳离子的性质,并保持可交换状态。凹凸棒土的阳离子交换容量一般在 4-40meq /100g,所以通常作为吸附剂的凹凸棒土首先经过热处理或酸处理,使其阳离子交换能力增强。这两种解释是学者普遍接受的关于凹凸棒土吸附重金属离子的机理。由于水解形成的重金属离子氢氧化物胶体颗粒带正电荷,凹凸棒石表面带负电荷,正负胶体颗粒的互相作用也促进胶体颗粒在凹凸棒石表面的粘附更有利于水解重金属胶体颗粒从水悬浮液中有效分离,这也可以很好地解释添加凹凸棒石处理含重金属废水的效果比单纯调节pH值水解沉淀处理效果好的原因。因此,凹凸棒石表面碱性诱导的重金属水解沉淀以及胶体颗粒的互相作用是水悬浮体系中凹凸棒石有效去除重金属的另一种主要机制。影响凹凸棒土对重金属离子吸附的因素有以下几种:①金属离子Mn+的初始浓度,随着金属离子起始浓度的增加,单位质量的凹凸棒土吸附金属离子的质量呈线性关系递增;②接触时间,据报道，凹凸棒土吸附重金属离子都是在较短时间内吸附量陡增, 随后吸附速率降低,吸附量略有增加,逐渐达到吸附平衡;③溶液的pH值,随着pH值的增加,凹凸棒土对于金属离子的吸附量也是增加的;④凹凸棒土的添加量,据文献报道,随着吸附剂凹凸棒土添加量的增加,其吸附位点相应增加,故吸附金属离子的含量提高。
1.1.2.2 凹凸棒土处理苯系难降解废水
关于改性的凹凸棒土做吸附剂对废水中苯酚的去除,选择十八烷基三甲基氯化铵改性凹凸棒土,苯酚去除率是酸处理凹凸棒土去除率的80倍以上,是经过1h搅拌处理有机改性凹凸棒土去除率的1.5倍。用聚二甲基二烯丙基氯化铵改性凹凸棒土吸附微污染水中苯酚,对苯酚最大去除率可达89%,水中残留的苯酚浓度 ≤0.3 mg/L,低于国家规定的一级排放标准。吸附饱和后的PDMDAAC改性凹凸棒土可用氢氧化钠进行再生,并可重复使用,且对苯酚的吸附去除率没有明显下降。以十六烷基三甲基铵离子(HDTMA)改性后的膨润土和凹凸棒土对苯系污染物的吸附量比原土矿物高出几十至几百倍,吸附等温线主要为中凹形或双“S”型,可以用其 对有机污染的地下水进行修复。改性后的凹凸棒土对苯的容量和去除率比原土均提高2倍多,且吸附具有化学吸附的本质。
天然凹土的阳离子交换能力(CEC)是相当低的,通常在50mmol/100g粘土以下,大多在20～30mmol/100g粘土之间。CEC值随着粒径的减小而略有增加,凹土棒晶之间的聚集力是一种较微弱的物理吸附力,不同于蒙脱土粘土纳米单晶层之间的强大离子键作用,这就为通过超声波分散获得均匀分散纳米棒晶提供了理论上的可能性,利用超声波的空化作用以及在溶液中形成的冲击波和微射流,可以导致分子间强烈的相互碰撞和聚集,对于液/固相体系起到了很好的冲击作用,这些碰撞具有足够的能量,产生强大的剪切作用,可以快速地将凹土上的棒状晶束或晶束的聚集体打碎,使纳米棒晶均匀分散。
1引言 3
1.1凸凸棒石开发应用现状 3
1.2改性凹土及其吸附性的应用 9
1.3吸附剂的种类及各自优缺点 13
1.4本课题研究方向 14
2 实验部分 15
2.1实验试剂 15
2.2实验仪器 15
2.3实验方法 16
2.4实验原理 17
3结果与分析 17
3.1未改性凹土吸湿率的测定 17
3.2 改性凹土吸湿率的测定 18
结 论 20
致 谢 21
参 考 文 献 22
1引言
VOC是一类对人体健康有害的挥发性有机化合物。VOC的主要来源在室外，主要来自燃料燃烧和交通运输：而在室内则主要来自燃煤和天然气等燃烧产物、吸烟、采暖和烹调等的烟雾，建筑和装饰材料,家具、家用电器，家具、清洁剂和人体本身的排放等。当居室中VOC浓度超过一定浓度时，在短时间内人们感到头痛、恶心、呕吐、四肢乏力；严重时会抽搐、昏迷、记忆力减退。VOC伤害人的肝脏、肾脏、大脑和神经系统。在凹凸棒石入几种物质进行表面改性并在一定温度下进行热处理后制成的干燥剂吸湿量大、成本低、能反复再生使用，可被广泛用于某些环境的除湿及某些气体的干燥。凹凸棒土具有其他粘土矿物不可比拟的优异的物理化学性能:吸附性能,以化学吸附为主,对工业生产排放的废水、 废气和废物中的重金属离子和有机苯系物有很强的吸附作用;流变性能,具有良好的流动性能和触变性能,适用于胶体泥浆、悬浮剂、触变剂和粘结剂,应用于地质钻探、地热钻井、石油钻井等方面;还有胶体性能,热稳定性能和抗盐性能等.此外,凹凸棒土无毒、无味、无刺激性,储量丰富,价廉易得,具有 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
十分广阔的应用前景,享“万土之王”之美称。然而,天然的凹凸棒石粘土包含一些矿物杂质,如蒙脱石、伊利石、碳酸盐、少量微粒石英和长石,可能堵塞孔道,降低表面积,影响吸附或离子交换性能。所以,如何发挥凹凸棒土的性能优势,利用天然的资源为我们创造更多的价值,一直是研究者努力探索的方向。通过研究总结发现,活化改性的方法可以除去天然凹凸棒土的杂质,增加表面积,提高其吸附和离子交换性能, 使凹凸棒土广泛地应用于吸附、脱色、胶体泥浆、催化剂及载体等领域.凹凸棒石粘土矿物的开发利用已经受到人们的关注,逐渐登上工业应用的舞台。
1.1凸凸棒石开发应用现状
1.1.1在无机-有机复合材料中的应用
机复合材料近年来已成为高性能复合材料的研究热点。将无机填料通过机械混合、溶液混合、熔融混合或原位聚合法添加到有机高分子材料中去，可以增加聚乙烯醇母体等材料的结晶速率和玻璃化转变温度，还可改善材料的力学性能和热稳定性。凹凸棒土具有纳米级尺寸和特殊的层链状结构，晶体呈针状，价格低、储量丰富，无疑是这类填料的首选。研究发现，ATP能均匀分散在尼龙6中，ATP的加入提高了复合物的晶体尺寸，并使材料的屈服强度达到最大值。将纳米ATP热处理后充填到聚四氟乙烯中形成ATP/PTFE复合物，结果发现：材料的耐磨性明显提高。用熔融混合法将ATP与聚琥珀酸丁酯混合形成 ATP/PBS纳米复合材料，与纯PBS相比，改性后复合材料的热变形温度和杨氏模量都有明显提高。ATP与水性聚氨酯或环氧聚合物混合，有机改性ATP与聚丙烯混合，ATP与PP、PC（聚碳酸酯）形成的三元纳米复合物，其中ATP的充填都能改善材料的力学性能和结晶行为，提高材料的热稳定性。除了用作塑料的填充剂，ATP也可以应用于纤维、橡胶等材料中。ATP与聚酯、聚乙烯醇、聚丙烯腈形成纳米复合纤维，可提高纤维的结晶度和结晶速率，促进纤维的定向，大大改善纤维的拉伸强力、 初始模量、断裂延伸率等力学性能。有机改性凹土与硅橡胶混合经辐射交联可提高硅橡胶的交联密度、力学性能和硬度等指标。
1.1.2在吸附方面的应用
作为吸附剂,要求吸附剂颗粒具有一定的机械强度(硬度、抗磨损能力和抗缩能力)、稳定性或化学惰性、不易燃烧,且具有较高的液体吸收能力。凹凸棒土作为吸附剂在对废水、废气、有机废弃物的去除、分离和脱色方面发挥了非常大的使用价值。
1.1.2.1 凹凸棒土去除废水中的重金属离子
凹凸棒土对重金属离子的吸附机理一般有表面络合、金属离子与凹凸棒土八面体阳离子的置换和凹凸棒土诱导金属离子水解沉淀等。表面络合是一种特殊的吸附作用,它是由表面功能基团(Si-OH)和周围环境中的离子配位形成稳定的单元。而离子交换是金属与带电的矿物表面由于较弱的静电引力形成外轨型配合物。最常见的与粘土矿物结合的交换性阳离子是:Ca2+、Mg2+、H+、K+、NH4 +、 Na+、A13+等。天然的凹凸棒土形成过程中因类质同象等作用使其表面带负电荷, 具有吸附阳离子的性质,并保持可交换状态。凹凸棒土的阳离子交换容量一般在 4-40meq /100g,所以通常作为吸附剂的凹凸棒土首先经过热处理或酸处理,使其阳离子交换能力增强。这两种解释是学者普遍接受的关于凹凸棒土吸附重金属离子的机理。由于水解形成的重金属离子氢氧化物胶体颗粒带正电荷,凹凸棒石表面带负电荷,正负胶体颗粒的互相作用也促进胶体颗粒在凹凸棒石表面的粘附更有利于水解重金属胶体颗粒从水悬浮液中有效分离,这也可以很好地解释添加凹凸棒石处理含重金属废水的效果比单纯调节pH值水解沉淀处理效果好的原因。因此,凹凸棒石表面碱性诱导的重金属水解沉淀以及胶体颗粒的互相作用是水悬浮体系中凹凸棒石有效去除重金属的另一种主要机制。影响凹凸棒土对重金属离子吸附的因素有以下几种:①金属离子Mn+的初始浓度,随着金属离子起始浓度的增加,单位质量的凹凸棒土吸附金属离子的质量呈线性关系递增;②接触时间,据报道，凹凸棒土吸附重金属离子都是在较短时间内吸附量陡增, 随后吸附速率降低,吸附量略有增加,逐渐达到吸附平衡;③溶液的pH值,随着pH值的增加,凹凸棒土对于金属离子的吸附量也是增加的;④凹凸棒土的添加量,据文献报道,随着吸附剂凹凸棒土添加量的增加,其吸附位点相应增加,故吸附金属离子的含量提高。
1.1.2.2 凹凸棒土处理苯系难降解废水
关于改性的凹凸棒土做吸附剂对废水中苯酚的去除,选择十八烷基三甲基氯化铵改性凹凸棒土,苯酚去除率是酸处理凹凸棒土去除率的80倍以上,是经过1h搅拌处理有机改性凹凸棒土去除率的1.5倍。用聚二甲基二烯丙基氯化铵改性凹凸棒土吸附微污染水中苯酚,对苯酚最大去除率可达89%,水中残留的苯酚浓度 ≤0.3 mg/L,低于国家规定的一级排放标准。吸附饱和后的PDMDAAC改性凹凸棒土可用氢氧化钠进行再生,并可重复使用,且对苯酚的吸附去除率没有明显下降。以十六烷基三甲基铵离子(HDTMA)改性后的膨润土和凹凸棒土对苯系污染物的吸附量比原土矿物高出几十至几百倍,吸附等温线主要为中凹形或双“S”型,可以用其 对有机污染的地下水进行修复。改性后的凹凸棒土对苯的容量和去除率比原土均提高2倍多,且吸附具有化学吸附的本质。
天然凹土的阳离子交换能力(CEC)是相当低的,通常在50mmol/100g粘土以下,大多在20～30mmol/100g粘土之间。CEC值随着粒径的减小而略有增加,凹土棒晶之间的聚集力是一种较微弱的物理吸附力,不同于蒙脱土粘土纳米单晶层之间的强大离子键作用,这就为通过超声波分散获得均匀分散纳米棒晶提供了理论上的可能性,利用超声波的空化作用以及在溶液中形成的冲击波和微射流,可以导致分子间强烈的相互碰撞和聚集,对于液/固相体系起到了很好的冲击作用,这些碰撞具有足够的能量,产生强大的剪切作用,可以快速地将凹土上的棒状晶束或晶束的聚集体打碎,使纳米棒晶均匀分散。
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