LDH在水污染中的应用举例

LDHs材料在水污染治理方面的应用1LDHs材料概述Layereddoublehydroxides〔LDHs〕是由层间阴离子及带正电荷层板堆积而成的化合物，LDHs的通式：[Mp+1-xM3+x(OH)2]x+An-x/n·yH2O，其中，Mp+为一价或二价金属阳离子〔多为二价〕，M3+为三价的金属阳离子，An－指价数为n的阴离子；x是每摩尔LDHs中M3+的摩尔数；y是每摩尔LDHs中结晶水的摩尔数。图1.LDHs一般构造图LDHs材料制备方法共沉淀法离子交换法诱导水解法焙烧复原法溶胶-凝胶法微波辅助合成法Mg-AlLDHs对阴离子染料的脱色性能研究2LDHs在水污染治理方面应用初始pH值对脱色率的影响层状氢氧化镁铝处理活性深蓝ST-2GLN染料适宜的pH值应控制在4～10之间，此时脱色率到达最大值94.53%。焙烧产物处理活性深蓝ST-2GLN染料适宜的pH值应控制在3～11之间，此时脱色率到达最大值100%。总的来说，在较大的pH值范围内〔4~10〕，溶液初始pH对层状氢氧化镁铝及其焙烧产物吸附染料效率的影响都较小。

图9.初始pH值对吸附的影响层状氢氧化镁铝对活性深蓝ST-2GLN染料溶液的酸碱度有较好的缓冲作用，平衡溶液的pH值都大于6.88，这是因为当初始pH值较低时，局部层状氢氧化镁铝在酸性条件下溶解，消耗局部溶液中的氢离子，导致了溶液pH值的升高；当初始pH值较高时，层状氢氧化镁铝吸附溶液中的局部氢氧根离子，使初始溶液中的pH值有所下降。层状氢氧化镁铝的焙烧产物在结构重建过程中释放出氢氧根离子，使平衡pH值在一定范围内较高且稳定。图10.初始pH值与平衡pH值得关系吸附剂投加量对脱色率影响当层状氢氧化镁铝投加量在0.2～1g/L之间时，随着投加量的增加，脱色率逐渐增加，由63.55%增加到96.11%；当投加量大于1g/L时，脱色率变化不明显。所以层状氢氧化镁铝的适宜投加量为1g/L。当焙烧产物投加量在0.2～0.5g/L时，脱色率由73.87%增加到98.58%，此后随投加量的增加脱色率变化不大，所以焙烧产物的适宜投加量为0.5g/L。图11.投加量对吸附的影响吸附时间对脱色率的影响震荡脱色60min，层状氢氧化镁铝脱色率可到达95%以上；焙烧产物脱色率可达97%以上。图12.吸附时间对吸附的影响表1LDHs及LDO吸附弱酸性艳蓝RAWL的Langmuir和Freundlich等温式参数从表中相关系数可以看出，在本实验条件下，层状氢氧化镁铝对弱酸性艳蓝RAWL染料的吸附较好的符合Freundlich吸附模型；焙烧产物对弱酸性艳蓝RAWL染料的吸附符合Langmuir吸附模型。

图13固体X射线衍射图层状氢氧化镁铝及其焙烧产物的吸附机理

主要机理是离子之间的交换作用，因为层状氢氧化镁铝层间有可交换的阴离子，它可以将各种阴离子如无机离子和有机离子、同多和杂多阴离子以及配合物阴离子引入层间，阴离子染料通过与层状氢氧化镁铝层间的阴离子交换，靠静电引力和强烈的化学吸附作用与之结合。同时，染料分子中存在着-NH2、-OH基团，也可能以氢键的形式参与吸附。另外，OrthmanJetal(2003)认为层状氢氧化镁铝对水溶性阴离子染料溶液吸附存在两种机理：外表吸附和离子交换。共沉淀法制备的Mg-AlLDHs对废水中Cr6+吸附性能研究吸附动力学实验由图2可知，Mg-AlLDHs在20h左右时到达饱和，但是在2h的时候就可以到达95%的去除率。图2.Mg-AlLDHs对Cr6+的吸附动力学实验吸附热力学实验图3.Mg-AlLDHs对Cr6+去除的吸附热力学实验由图3可以知道，镁铝水滑石对Cr6+的吸附量随着Cr6+的初始浓度的增加而增加。随着Cr6+初始浓度的不断增加，镁铝水滑石逐渐到达饱和状态，曲线走势平缓，趋于平衡。由图4、图5可知，Mg-Al水滑石对Cr6+的等温吸附数据符合Langmuir方程。当镁铝水滑石初始浓度到达200mg·L－1时，Mg-Al水滑石对Cr6+的饱和吸附量高达68mg·g－1，去除率到达85%，这一系列吸附结果说明镁铝水滑石对Cr6+的吸附效果十分显著。图4.Langmuir模拟曲线图5.LDHs对Cr6+的等温吸附曲线pH对吸附影响实验由图6可知pH在LDHs吸附去除有机阴离子污染物的过程中有着重要影响。并且发现在中性pH条件下，LDHs的吸附效果较好。竞争离子对吸附影响实验由图7可知，随着NaCl浓度的增加，LDHs对阴离子的去除率大大降低。LDHs的去除原理相当于是层间的Cl－离子与溶液中的Cr6+离子发生离子交换，而溶液中Cl－离子的增加将导致平衡左移，大大降低其吸附率。共存阴离子的影响主要集中在各种无机阴离子。这种影响可归结为：LDHs对于不同阴离子有着不同的亲和力，往往倾向于结合那些半径小带负电荷多的阴离子。反响物浓度对吸附影响实验由图8可知，随着Mg-AlLDHs投加量的增加，铬离子的去除率增加。对于40mg·L－1，50mL的Cr6+溶液，0.1g的投加量可以到达98%的去除率，是实际生活中去除Cr6+的一个很好的选择。对阴离子吸附机理〔猜测〕：(1)层板正电荷与阴离子污染物间的静电吸引作用。由于LDHs特殊的结构使得其层板带正电荷，对于水体中存在的阴离子污染物有着静电力作用，从而起到去除污染的作用。(2)层间阴离子与有机阴离子污染物之间的离子交换作用。LDHs的一个重要性质便是层间阴离子的可交换性，所以LDHs被广泛用于水体阴离子染物的去除。对Cr6+吸附机理〔猜测〕：外表沉淀、化学键合作用、静电键合作用，在层间插入功能配体，与目标阳离子形成螯合物。LDHs在酸性气体污染方面应用工业生产排放的酸性气体是环境污染的主要成因，酸性气体具有腐蚀性、毒性，同时也造成酸雨、温室效应等问题。如何有效脱除酸性气体，已经成为世界各国关注的焦点。G.Fornasari等探究含Pt、Cu的LDHs材料储存-复原催化NOx的效果。结果说明：当反响温度低于200℃，Pt/Mg/Al-LDHs、Cu/Mg/Al-LDHs材料吸附NOx储存性能高于Pt/Ba-Al2O3；Pt/Mg/Al-LDHs、Cu/Mg/Al-LDHs材料也能改善失活的SO2，低温活性取决于这些材料碱性的上下。李嫱等合成一系列Mg/Al/Fe-LDHs材料，用来脱除低浓度SO2。结果说明：在600℃以上的焙烧温度下，含铁LDHs材料对SO2有较好的吸附效果；当m(Fe)/m(Fe+Al+Mg)约为0.2时，吸附效果最正确，饱和硫吸附量为0.91g/g；吸附温度强烈影响SO2的吸附行为。张骄佼等采用Mg/Al-LDHs净化H2S气体。结果说明：在pH为12，晶华温度80℃时，制备的Mg/Al-LDHs材料最正确；在吸附温度80℃时，反响5h，H2S气体的去除率高达95%以上，穿透吸附容量高达45.54mg/g。研究说明，LDHs材料属于碱性材料，可吸附大量酸性气体，能减少温室气体的排放，防止酸雨，进而保护土壤、水体。

3LDHs在土壤污染处理方面应用为了提高产量，农业上使用大量的含氮磷的化学肥料。营养物质在土壤中长期停留，导致土壤污染，影响耕地种植生产。防止和保护土壤环境不被污染成为十分重要的任务。张晓伟等制备了Mg/Al-LDHs材料并添加到土壤中，然后研究LDHs材料在土壤中对添加磷素的影响。结果说明：LDHs在土壤中对磷酸根具有吸附和解吸的作用，能够延长土壤易解吸磷的释放时间从而保持土壤肥力；Ca2+、Cl-、pH、腐植酸等因素会对LDHs与磷关系产生影响，Ca2+会降低易解吸磷的含量，pH在不同阶段表现不同的效果，其他条件会增加易解吸磷的含量；在野外场地中，添加的磷素会因土壤固化和随流水流失等因素而使其快速减少。研究说明，LDHs材料对土壤中施加磷素的低利用率、易流失等问题有一定的积极作用，可用于农业土壤污染治理。4总结LDHs材料能够对大量难降解物质、无机离子、重金属、酸性气体等污染物进行有效的吸附，不但作为吸附剂投加量少和到达饱和的吸附时间短，而且该材料可以重复利用。因此，LDHs材料在环境污染治理中具有较高的研究价值和广阔的应用前景。但是LDHs材料在环境污染治理应用