磁性水滑石的制备及其在橙Ⅱ吸附去除研究中的应用(2)
引言 随着我国社会经济的发展，染料被应用于印染、医药、食品等行业，使得染料废水成为主要的有害工业废水之一。染料是以苯系、萘系、蒽醌等芳烃和杂环化合物为母体，并带有显色和极性基团的有机物，其中间体结构复杂，种类繁多。而染料废水有排放量大、色度深、浓度大、化学耗氧量大、成分复杂、毒性大等特点，其中的硝基、胺基化合物及铬、砷、汞等重金属元素具有“三致”毒性[1]。酸性橙Ⅱ是一种橙黄色的染料，工业上主要用于纸张、皮革等的染色；在食品工业中，酸性橙Ⅱ属非食用色素，在食品药品中禁止添加，人类若食用过量，会引发中毒甚至致癌的风险 [2]。但是一些商贩贪图利润，利用其价格低廉、色泽明艳等特点，将其作为色素掺入食品的生产与加工中以牟取利润，危害了消费者的健康。橙Ⅱ废水对环境和人体健康造成了严重的威胁，高效地去除橙Ⅱ具有很大的现实意义，因此国内水污染研究者一直在寻求有效的方法处理橙Ⅱ废水。
目前，大概有化学法、生物法、物理法三种方法来处理酸性橙Ⅱ废水。 化学法包括化学混凝法、电化学法及氧化法[1]。氧化法又包括光催化氧化法、臭氧氧化法、fenton 氧化法[3]。化学法的原理是利用化学反应使染料降解或分解。其操作简单，工艺灵活，处理效果好，然而存在成本过高，材料制备复杂，易引入二次污染物等问题。 生物法即利用好氧或厌氧微生物对目标物进行降解。生物法的运行成本低，化学耗氧量去除率高，但存在着抗冲击性差、处理时间较长、去除色度的效果差等问题。 物理法即将目标物用物理手段分离浓缩，包括吸附法、膜分离技术、气浮法等[5, 6]。其优点是操作便捷，脱色效果好，但存在再生性差，部分方法成本太高，容易引入二次污染物等缺点。综上所述，部分处理方法仍存在成本过高、产生二次污染物[5]、无法回收等问题。 随着科学研究的发展，吸附法已经逐步解决这些问题，吸附法[7]具有操作简单、成本低廉、可回收利用等特性，这使得其成为应用最广泛的处理方法。根据吸附剂的不同，其具有的特点也不同。 传统常用于吸附染料的吸附剂有活性炭[6]；工农业废弃物材料如粉煤灰[8]、木屑[9]、花生壳[10]；生物材料如落叶[11]等；天然矿物材料如海泡石[12]、黏土[13]和硅藻土[14]等；以及纳米改性材料如纳米金属复合材料[15]、纳米无机矿物复合材料[16]、碳纳米管[17]等。其中活性炭对去除水中溶解性有机物非常有效，但它再生比较困难，处理成本较高；工农废弃物[8-10]成本低廉，来源广泛，但吸附能力较低；硅藻土虽然价廉,但是属于不可再生资源,一则浪费资源,二则成本也较高。近些年，一些特殊的纳米材料，如磁性水滑石，因其方便磁分离、吸附性能好等优点，在污染物废水的去除中得到了广泛的应用。 水滑石类化合物（Layered double hydroxides,LDHs） ，是一种具备特殊层状结构的阴离子型化合物[17]。基于 LDHs 的独特层状结构，其具有层板元素组成及结构可调变性、焙烧复原性、酸碱特性等性质[18]，且由于LDHs层板上羟基对的存在，赋予了 LDHs一定的弱碱性，在污水处理、催化等领域有众多应用。
常见的磁性纳米材料主要是铁、钴、镍的金属氧化物及其复合物，Fe3O4 磁纳米颗粒( Magnetic nanoparticles, MNPs )，由于其制备方法简单、价格便宜、对人体无毒副作用、比表面积大、吸附性能好等优点[19]，是目前研究最为广泛的磁纳米材料之一，并且，Fe3O4 磁纳米颗粒在常温下有很强的超顺磁性，通过外置磁场，经过清洗和解吸操作，可将目标物从多组分环境中迅速地分离出来。 虽然 Fe3O4有很多其他材料所没有的优点，但是裸露的四氧化三铁颗粒在空气和水的有氧环境下，非常容易发生氧化反应，而且在酸性环境中更容易被侵蚀或者团聚，从而失去其纳米材料的性质。所以，若将磁性纳米材料与水滑石复合，使Fe3O4负载到水滑石上，这样磁性介质就会作为水滑石的一部分使水滑石具有特殊的性能——磁性，而Fe3O4本身易氧化的问题也可以得以改进。目前，已有将 Fe3O4和 LDHs 两者结合成为磁性水滑石，并成功用于染料吸附的报道。Shan [20]等人制备的Fe3O4/MgAl－LDH在最佳条件下吸附时间为 30 min 达到吸附平衡后，对活性红和刚果红的饱和吸附量分别达到了 97 mg•g-1和 253 mg•g-1。 本课题采用水热法合成磁性水滑石， Fe3O4/MgAl－LDH同时具有磁性 Fe3O4容易分离和水滑石材料对酸性橙Ⅱ较大吸附性能的优点。在本实验中我们研究了 pH，初始浓度，吸附温度以及超声时间对吸附容量的影响，研究了吸附热力学和动力学，提出了Fe O /MgAl－LDH的吸附机理。此外，研究了材料的脱附性能和重复利用性。
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