介孔Mg-Al层状双金氢氧化物对水中增强溴酸盐的吸附研究外文翻译资料

英语原文共 37 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

介孔Mg-Al层状双金氢氧化物对水中增强溴酸盐的吸附研究

图形摘要

强调

1. 介绍了一种介孔Mg-Al LDH的制备方法。
2. 介孔Mg-Al LDH具有很大的表面积（126m²/g）。
3. 介孔Mg-Al LDH对溴酸盐摄取显示出高吸附能力。
4. 溴酸盐的吸附机理包括离子交换和离子重建。

摘要

已经容易地合成了具有相当高的Brunauer-Emmett-Teller（BET）表面积（126m²/g））的介孔Mg-Al层状双氢氧化物（meso-LDH 350），然后评价了从水溶液中对溴酸盐的吸附性去除解决方案。通过各种技术（例如XRD，FTIR，SEM，TG-DSC，N2物理吸附，XPS等）表征吸附剂。吸附研究表明，背景电解质和竞争性阴离子的存在可以明显地抑制溴酸盐对LDH的吸收。吸附等温线与Langmuir模型吻合良好，给出了介孔LDH 350最大吸附量为59.34 mg/g（pH 7.5,10 °C)，高于文献报道的其他LDH型吸附剂。基于宏观和微观研究，介孔LDH350上的溴酸盐吸附与两种机制有关：重建介孔LDH350的层状结构和溴酸盐与插层阴离子之间的阴离子交换。

关键词：溴化物；层状双氢氧化物；介孔；阴离子交换；重建

1.引言

溴酸盐（BrO3^minus;）是通常在含溴化物的水在臭氧化期间形成的典型消毒副产物（DBP）之一的卤氧化物[1]。溴酸盐具有诱导肾细胞肿瘤的潜在致癌性，从而增加人类和动物的健康风险[2]。美国环保局（1998）和中华人民共和国卫生部（2006）对饮用水中的溴酸盐严格确定了10mu;g/L的最高污染物含量（MLC）。因此，在减少暴露于BrO3^minus;污染水体的同时，从饮用水中高效除去溴酸盐尤其重要。目前，由于溴酸盐在水中溶解度高，稳定，因此从水溶液中有效去除溴酸盐仍然是一个很大的挑战。已经开发了各种各样的技术来从地表水中隔离溴酸盐，包括活性炭吸附[3]，离子交换[4-7]，生物降解[8]，零价还原[9]，催化氢化还原[10]和光催化还原[11]。在这些技术中，与无机材料（如层状双氢氧化物（LDH））的吸附或离子交换因其高效率和低成本已经引起了高度关注[12]。

LDH由正电荷的混合金属氢氧化物层组成，它们之间夹有水分子和可与本体溶液中的其他水性阴离子交换的各种阴离子物质，使得LDHs成为有毒阴离子隔离中最有效的阴离子交换剂之一[13]。如Goh等人的总结 [12]，LDH已被广泛用于从水中吸附广泛的阴离子，因此允许它们作为替代性的吸附剂或阴离子交换剂来清除水溶液中的溴酸盐[4-7]。Chitrakar检测了Fe（II）-Al（III）LDH（Cl）和Fe（II）-Al（III）LDH（SO4）对溴酸盐的吸附，发现溴酸盐可以通过Fe（II）结构被还原成溴化物，导致LDHs分层结构的崩溃[14,15]。为了避免在去除溴酸盐期间LDH的结构性崩溃，优选使用非铁性LDH如Mg-Al LDH [4-7]和Zn-Al LDH [16-18]。

很明显，LDHs的阴离子交换能力与静电附着在LDH中间层交换位置的阴离子相关[19]。 此外，特定吸附位点的表面吸附也对具有明确孔的LDHs的阴离子摄取起着关键作用[20]。如何增加LDH中结合位点的密度以增强对有毒阴离子的摄取仍然是一个悬而未决的问题。最近，据报道，具有发达的介孔层状Mg-Al含水氧化物（LDH的类似物）具有高的吸附能力和对砷酸盐物质和其他有毒阴离子（如氟化物，溴酸盐，硒酸盐等）的亲和力[5]。是否有可能将介孔引入LDHs结构，以创建更多的有毒阴离子（例如溴酸盐）清除的结合位点？这个问题是目前工作的初衷。事实上，介孔金属和双金属氧化物和羟基氧化物已经在过去二十年中通过使用许多表面活性剂模板（例如阳离子，阴离子，中性嵌段共聚物）广泛地制备[21-24]。在制备介孔/或介孔结构的Mg-Al LDH的情况下，中性嵌段共聚物（例如，Pluronic F-127或P-123）比阴离子表面活性剂更优选，因为后者更可能作为客体插入LDH阴离子[25]。

在本研究中，提出了一种结合快速共沉淀和煅烧合成具有高吸附量的溴酸盐的介孔Mg-Al LDH的简便方法。 在对溴酸盐摄取进行一系列批次吸附实验之前，介孔LDH及其非介孔对应物的结构特性得到了充分的表征。 在分批实验和分子光谱的结果方面，也提出了吸附机理。

1. 实验部分

2.1化学品

所有化学品均为A.R.等级，无需进一步纯化即可使用。硝酸镁六水合物（Mg(NO₃)₂·6H₂O, 99%）和硝酸铝九水合（Al(NO₃)₃·9H₂O, 98%）购自国药化学试剂有限公司（中国上海）。 Pluronic F127得自Sigma-Aldrich公司（上海，中国）。使用Milli-Q超纯水（18.2 MOmega;-cm）制备溶液。 通过溶解一定量的G.R.制备溴酸盐储备溶液（0.1M）（NaBrO3,国药控股）用超纯水将其储存在冰箱（4℃）中。

2.2介孔性LDHs的制备

通过改性共沉淀法制备介孔Mg-Al LDH [26]，然后煅烧。简言之，在水浴（60℃）中剧烈搅拌下，将2.4g F127溶解于120mL去离子水中。然后，向上述溶液中加入Mg(NO₃)₂·6H₂O （12.3g，48mmol）和Al(NO₃)₃·9H₂O（9.02g，24mmol）的混合物，直至完全溶解。然后通过滴加NaOH溶液（1M）将混合物共沉淀直到pH〜10。为了沉淀所有的铝盐，在随后的2小时内间歇地加入稀NaOH（0.2M）来保持pH。反应后，将所得白色悬浮液在60℃下超声处理1小时，然后静置2小时。通过离心收集制成的白色粉末，用去离子水彻底冲洗数次，然后在真空下冷冻干燥过夜。通过在350℃下在空气中煅烧3小时除去制备的LDH中的残留F127，得到称作内消旋LDH350的介孔LDH。为了比较，在不存在F127的情况下，也按照相同的程序制备了两种Mg-Al LDH对应物，分别称为LDH（即制备样品）和LDH350（即煅烧样品）。

2.3介孔LDHs的特征

这些Mg-Al LDH的X射线衍射（XRD）分析在XRD-6100衍射仪（Shimadzu，Japan）上以管电压为40kV，管电流为30mA，Cu-Kalpha;辐射（lambda;= 1.5418 Aring;，步长：0.02°，扫描速度：5°/ min）。使用Hitachi SU1510显微镜在1.5kV的加速电压下记录扫描电子显微镜（SEM）。使用Quantachrome气体吸收分析仪（iQ-AG-MP），在-196℃下通过N₂吸附来测定LDHs的Brunauer-Emmett-Teller（BET）表面积。在BET测量之前，将样品在80℃下脱气至少6小时。傅立叶变换红外（FTIR）光谱法是在KBK压制盘法之后，在NIKOLET iS5光谱仪（Thermo Fisher，USA）上进行的。在LABSYS EVO TG-DTA / DSC（SETARAM，France）仪器上进行热重差示扫描量热法（TG-DSC）分析。使用0.1mM NaNO₃溶液作为背景电解质，在Zetasizer Nano ZS 90装置（Malvern，UK）上收集Zeta（zeta;）电位数据。使用紫外 - 可见分光光度计（Cary 100，Agilent，USA），用BaSO 4作为反射样品，从干压盘样品中获得紫外可见漫反射光谱（UV-vis DRS）。配备有单色AlKalpha;X射线源（hnu;= 1486.6eV）和半球形电子分析仪的X射线光电子分光计（XPS）（PHI 5000 Versa Probe，UIVAC-PHI，Japan）用于分析样品的表面性质。 C1s峰（284.6eV）用于校准结合能值。

2.4批次吸附实验

所有批次实验均在室温（约25℃）下进行，除非另有说明。简言之，通过将10mg吸附剂与所需体积（例如，用于pH包膜实验的7.8mu;L，给出终浓度为1ppm溴酸盐）的稀释溴酸盐组合，在15mL封端的聚乙烯离心管（Corning，USA）中制备吸附浆液储备溶液（0.01M）和背景电解质溶液（例如1mM NaNO₃），总体积为10mL混合物。在用稀HNO₃和NaOH调节pH后，用纯N₂将浆液（10mL）鼓泡5分钟以排除溶解的CO₂，然后在Labwake旋转器（Thermo Scientific，USA）上在恒温室中旋转24小时。通过离心（12000rpm，15分钟）收集上清液并用0.45mu;mPES过滤器（Navigator，天津）过滤，通过离子色谱（IC）测量溴酸盐浓度。吸附等温线是通过在10处将恒定的吸附剂用量（1g / L）和pH值（即7.5plusmn;0.2）改变在1.0-100mg L-1（7.82-782mu;M）范围内的初始溴酸盐浓度而得到的10℃和30℃。采用等式（1）和（2）给出的Langmuir和Freundlich模型拟合实验数据。

Langmuir模型:

Freundlich模型:

其中qe（mg/g）是平衡时的吸附能力，Ce是以mg/g为单位的平衡BrO₃-浓度，qm 是mg/g中的最大吸附容量，b（L/mg）为Langmuir常数与吸附能相关; n和Kf是Freundlich常数。

2.5吸附动力学试验

吸附动力学试验在pH 7.5plusmn;0.2和25℃下进行，初始溴酸盐浓度为10mg/L（78.2mu;M），吸附剂量为1g/L，在三颈烧瓶中装载500 mL的浆料通过电动搅拌器完全混合（搅拌速度：120rpm）。 在不同的时间间隔，使用移液管收集2mL溶液并过滤以分析溴酸盐浓度。使用伪一阶动力学模型（等式（3））[27]和下面给出的二阶动力学模型（等式（4））[28]来拟合吸附动力学数据。

其中qe（mg/g）和qt（mg/g）是平衡时的吸附容量和接触时间t（min），k1和k2分别是伪一级和二阶动力学速率常数[29]。

2.6溴酸盐分析

使用离子色谱仪（Dionex，ICS-2000，USA）测量BrO₃离子的浓度。 用0.45mu;m过滤器过滤样品以除去吸附剂，然后在以1.0mL / min的流速递送的10mM KOH的Dionex IonPac AS11-HC毛细管柱（4.0mmtimes;250mm）上分离。分离柱在30℃下操作。

3.结果与讨论

3.1 Mg-Al LDHs的特征

图1A显示出了所有Mg-Al LDHs，即介孔-LDH350，LDH350和LDH的XRD图。 LDH在2theta; = 11.1°, 22.2°, 34.6°, 38.6°, 45.8°和 60.4°的反射对应于 (003), (006), (009)/(012), (015), (018), and (110) 面，这是典型的米勒-布拉维指数不良的Mg-Al LDH（NO₃）相[30]。（003）反射的d间距为7.8，表明硝酸根（NO₃^-）是插入Mg-Al LDH中间层中的主要客体阴离子[31]。在350℃煅烧时，由于中间层水分子的损失和双氢氧化物薄片的部分脱羟基化，所有反射的强度都降低，这通过MgO（JSPDS PDF＃01-1235）在介孔LDH350和LDH350 [32]的反射证实。值得注意的是，将F127引入合成配方似乎不影响LDH的层状结构，因为所有反射的相对位置没有明显的变化，这意味着LDHs的特征层状结构在煅烧后保留。在计算处理中LDH颗粒很明显，聚集形成较大的颗粒，在F127存在下，聚集过程更加明显（补充资料中的表S1）。

Mg-Al LDHs的FTIR光谱如图1B所示。 在3450cm ^-1处的宽带归因于与相邻层中的层间水分子或O-H基团相关联的O-H基团的拉伸。1637cm^-1的带被分配到层间水分子的H-O-H（delta;H₂O）的变形振动[33]。如预期的那样，由于中间层水的损失，煅烧后上述两个带的强度略有下降。1384 cm^-1处的带是指硝酸盐（nu;NO₃）和碳酸盐（nu;CO₃）的反对称伸缩振动（v3模式）[6,32,34]。在500-800cm^-1范围内观察到的带通常可分配给M-O，O-M-O和M-O-M（M= Mg，Al）晶格振动[35,36]。另外，在833cm^-1处也观察到可分配到CO₃^2-（nu;CO₃）的伸缩振动（v2模式）的弱肩带，这可能是由于在储存期间LDHs暴露于大气中[33,34]。此外，没有观察到C-O基团（约1060cm^-1）的伸缩振动带和-CH₂CH₂基团的振动带（约2820和2910cm^-1），表明在350℃下的煅烧可以有效地从F127中去除F127 制成的介孔LDH。

图1C描述了制备的介孔LDH的TG-DSC曲线。 很明显，热重（TG）曲

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[27508]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word