钙铝和铁铝水滑石的制备及其吸附水中六价铬的性能

王鹏瑞1,2, 杨 丹1, 张 雪1, 李 静1, 闫良国1

(1. 济南大学 水利与环境学院, 山东 济南 250022; 2. 济南市市中区环境监测站, 山东 济南 250001)

摘要: 为寻找高效吸附水中六价铬(Cr(VI))的水滑石功能材料,以水热法制备钙铝(CaAl-LDH)和铁铝水滑石(FeAl-LDH)2种吸附剂,通过X射线衍射仪、红外光谱仪、扫描电镜和比表面积测定仪研究其结构和性质,采用批次平衡实验比较研究其对水中Cr(VI)的吸附性能。结果表明:CaAl-LDH和FeAl-LDH具有水滑石的特征衍射峰和介孔结构,呈六边形片状,比表面积分别为8.746、 159.5 m2/g;2种材料对Cr(VI)的吸附速率较快,在30 min达到平衡,且吸附过程不受溶液pH值的影响,溶液中存在的常见阴离子对Cr(VI)影响较小;吸附动力学和等温线数据分别符合拟二级动力学方程和Langmuir等温线模型,CaAl-LDH和FeAl-LDH对Cr(VI)的最大吸附量分别为34.92、 51.31 g/kg。

关键词: 钙铝水滑石; 铁铝水滑石; 六价铬; 吸附; 水热法

水滑石,又称层状双金属氢氧化物(layered double hydroxides, LDHs),归类为胶体纳米材料。LDHs具有较大的比表面积、可调变的主体层板和可交换层间阴离子等性质[1-4],独特的结构和性质使其可以作为优良的吸附剂,高效去除水中有毒的重金属离子和阴离子氧化物[5-8]。以六价铬(Cr(VI))为例,工业生产活动导致了大量Cr(VI)排放到水体中,造成了严重的环境污染,并影响社会的可持续发展[9-10],而利用纳米材料吸附水中Cr(VI)是一种有效的去除方法[11-12]。国内外学者对LDHs去除废水中Cr(VI)进行了广泛的研究。 Lu等[13]制备了Ni和Fe不同物质的量之比(4∶1、 3∶1、 7∶3和1∶1)的NiFe-LDH, 其中Ni4Fe1-LDH对Cr(VI)的饱和吸附容量为26.78 g/kg, 吸附过程符合拟二级动力学模型和Langmuir等温线模型。 Li等[14]将EDTA插入MgAl-LDH层间制备了MgAl-EDTA-LDH, 具有更大的层间距、 更丰富的官能团, 对Cr(VI)的吸附容量为47.62 g/kg, 吸附机理涉及静电吸引、 表面络合、 层间阴离子交换和还原反应。Gore等[15]将LDHs与聚丙烯腈(PAN)纳米纤维交织在一起, 获得了一种新型多功能LDH-PAN纳米复合膜, 对质量浓度为10 mg/L Cr(VI)溶液具有99%以上的去除效率。 Chen等[16]采用水热法将NiAl-LDH修饰在H3PO4活化的多孔碳上(Ni-Al@PAB), 基于2种材料的优势叠加,Ni-Al@PAB对Cr(VI)表现了良好的吸附性能,最大吸附量为271.5 g/kg。Ogata等[17]制备了2种不同物质的量之比的MgFe-LDH(n(Mg2+)/n(Fe3+)=3.0或5.0), 对Cr(VI)的吸附量随温度的升高而增加,在Cr(VI)的单一体系中的吸附量比Cr(VI)和As(III)的二元体系中的小,说明吸附量受吸附剂性能、层间空间和溶液pH值的影响。Yue等[18]制备了层间阴离子为Cl-的MgAl-Cl-LDH,并用于去除水中的Cr(VI)和Cu(II),发现其对两者的吸附量比单一吸附Cu(II)和Cr(VI)分别提高81.05%和49.56%,其共吸附过程机理包括Cr(VI)与层间Cl-的阴离子交换、Mg2+与Cu2+的同构取代、形成Cu2Cl(OH)3沉淀以及Cu2Cl(OH)3对Cr(VI)的吸附。Tran等[2]综述了LDHs对Cr(VI)的吸附研究进展并对其吸附机理进行了系统的分析,认为LDHs表面的羟基质子化后对Cr(VI)具有较强的亲和力,通过静电吸引将铬酸根吸附在表面;铬酸根还能与LDHs的层间阴离子交换;当Cr(VI)与电子供体提供的电子相互作用时被还原为Cr(III),还原后的Cr(III)通过同构取代和络合等多种作用机制被LDHs吸附。

LDHs的结构式为其中M2+和M3+为金属阳离子,最常用的元素是Mg2+和Al3+[1-2],Ca2+和Fe2+更为常见,作为M2+制备水滑石的研究较少[19-20],因此本研究中从LDHs的特性和制备方法出发,针对性地利用Ca2+和Fe2+作为二价金属离子,采用水热法制备了CaAl-LDH和FeAl-LDH 2种水滑石,以工业废水中常见的Cr(VI)为代表性重金属污染物,研究其吸附性能。

1 实验

1.1 试剂、材料

硝酸钙(Ca(NO3)2·4H2O)和硝酸钠(NaNO3)(分析纯, 天津市大茂化学试剂厂); 硝酸铝(Al(NO3)3·9H2O分析纯,天津市红岩化学试剂厂);氢氧化钠(NaOH,分析纯,国药集团化学试剂有限公司);氯化亚铁(FeCl2·4H2O,分析纯,天津市广成化学试剂有限公司)。

1.2 CaAl-LDH和FeAl-LDH的制备

将3.78 g的Ca(NO3)2·4H2O和3.09 g的Al(NO3)3·9H2O加入到50 mL浓度为0.5 mol/L的NaNO3溶液中,超声1 h,然后不断搅拌的同时,用浓度为2 mol/L的NaOH溶液逐滴加入到上述溶液中,直至溶液pH值维持在12左右。将上述混合物转移到反应釜,置于鼓风干燥箱中,100 ℃反应36 h,冷却后取出,用蒸馏水洗涤3次,在80 ℃条件下干燥12 h,过0.150 mm筛,得到CaAl-LDH。

将8.0 g的FeCl2·4H2O和4.8 g的AlCl3·6H2O加入到150 mL的去离子水中,超声1 h,得到均匀的混合溶液,然后在不断搅拌的同时,用浓度为4 mol/L的NaOH溶液缓慢加入到上述溶液中,直到溶液pH值维持在10左右。将上述混合物转移到反应釜,置于鼓风干燥箱中,120 ℃反应24 h,冷却后取出,用蒸馏水洗涤3次,在80 ℃干燥12 h,过孔径0.150 mm筛,得到FeAl-LDH。

1.3 样品表征测试

采用D8 Advance型X-射线衍射仪(XRD, 德国Bruker公司)对CaAl-LDH和FeAl-LDH进行晶体结构分析,扫描范围为5 °~90 °,扫描速度为0.03 °/s;采用Vertex 70型红外光谱仪(FTIR, 德国Bruker公司)对样品的表面官能团进行分析,光谱范围为400~4 000 cm-1,步频为4 cm-1;使用S4800型扫描电镜(SEM, 日本Hitachi公司)观察材料的微观形貌和元素分布;使用ASAP2460比表面积分析仪(美国Micromeritics公司)测定样品的比表面积、孔容和孔径大小。

1.4 吸附作用

首先配制质量浓度为1 000 mg/L的Cr(VI)储备液, 然后将储备液稀释到不同质量浓度用于吸附实验。 在50 mL离心管中, 分别先加入0.03 g的CaAl-LDH或FeAl-LDH吸附剂,再加入20 mL Cr(VI)溶液,置于恒温振荡箱内进行吸附实验(T=298 K;v=200 r/min)。吸附反应结束后采用离心机进行固液分离。上清液中Cr(VI)的质量浓度采用二苯碳酰二肼分光光度法(GB 7467—1987)测定,显色后在波长540 nm测定吸光度。吸附率(R,%)和吸附量(qe,mg/g)采用下述公式进行计算:

(1)

(2)

式中: ρ0为Cr(VI)的初始质量浓度, mg/L; ρe为吸附后Cr(VI)的质量浓度, mg/L; m为吸附剂的质量, g;V为溶液体积,L。

根据预实验结果,Cr(VI)溶液的质量浓度设为50 mg/L。为研究溶液初始pH值对吸附性能的影响,用体积分数为5%的HCl或0.1 mol/L的NaOH溶液调节溶液初始pH值在2~10左右,加入0.03 g的CaAl-LDH或FeAl-LDH,振荡180 min。为研究吸附时间的影响,在20 mL 50 mg/L Cr(VI)溶液中分别加入0.03 g的CaAl-LDH或FeAl-LDH,振荡5~120 min。为绘制吸附等温线,将Cr(VI)储备液分别稀释到5~200 mg/L,在20 mL Cr(VI)溶液中加入0.03 g的CaAl-LDH或FeAl-LDH,振荡180 min。为研究常见阴离子对CaAl-LDH和FeAl-LDH吸附Cr(VI)的影响,在20 mL 50 mg/L Cr(VI)溶液中分别加入0.03 g的CaAl-LDH或FeAl-LDH后,再分别加入质量浓度为1 mL 1 000 mg/L的Cl-溶液,振荡180 min,至反应达到平衡。将Cr(VI)溶液加入自来水、 湖水、 黄河水或泉水中,使Cr(VI)的质量浓度为50 mg/L,然后加入水滑石吸附剂,进行实际水样中Cr(VI)的去除性能实验。

2 结果与讨论

2.1 产物表征

图1、 2分别为CaAl-LDH和FeAl-LDH的SEM表征结果。水热法合成的CaAl-LDH和FeAl-LDH都呈现出不规则的正六边形片状结构,其中CaAl-LDH表面略粗糙,均是LDHs材料的典型结晶形态[21]。通过图1和图2的EDS元素分布图可以看到,O、 Al和Ca元素在CaAl-LDH的表面均匀分布,FeAl-LDH的表面均匀分布了O、 Al和Fe元素。

a)SEM图像

b)元素分布图
图1 CaAl-LDH的SEM图像和元素分布图
Fig.1 SEM images and element distribution diagram of CaAl-LDH

a)SEM图像

b)元素分布图
图2 FeAl-LDH的SEM图像和元素分布图
Fig.2 SEM images and element distribution diagram of FeAl-LDH

LDHs的(003)、 (006)、 (012)和(015)晶面衍射峰通常出现在2θ为10.37 °、 20.95 °、 31.77 °和36.75 °处左右的位置[22-23]。 如图3 a)所示,CaAl-LDH的(003)、 (006)、 (012)和(015)晶面衍射峰较强,分别出现在2θ=10.31 °、 20.66 °、 31.14 °和38.50 °处, 说明CaAl-LDH材料具有LDHs的特征衍射峰; FeAl-LDH的(003)和(006)晶面衍射峰出现在2θ的10.25 °和20.76 °处, 说明FeAl-LDH也为典型的LDHs层状结构。

图3 b)是CaAl-LDH和FeAl-LDH的FTIR谱图。FeAl-LDH和CaAl-LDH在3 500 cm-1处都具有宽而强的吸收带,是属于—OH的伸缩振动[24-25]。在FeAl-LDH的FTIR图谱中,1 624 cm-1处附近的吸收带归因于H—O—H的伸缩振动,CaAl-LDH在1 651、 1 348 cm-1处的特征峰归因于NO的伸缩振动,位于1 022 cm-1处的峰是C—N的伸缩振动,782、 510 cm-1处的特征峰归属于M—O—M的伸缩振动[26]

图3 c)是CaAl-LDH、FeAl-LDH的N2吸附-解吸等温线,按照IUPAC的描述,CaAl-LDH和FeAl-LDH吸附-脱附曲线均属于IV型并伴有H3型迟滞回线[27]。 在较高的压力比范围(P/P0=0.8~1.0), 吸附容量快速增加, 说明合成的水滑石材料是介孔结构。 CaAl-LDH和FeAl-LDH的平均孔径分别为31.48、 8.20 nm,孔体积分别为0.050、 0.379 cm3/g,比表面积分别为8.746、 159.5 m2/g。FeAl-LDH的比表面积比CaAl-LDH的大,会提供更多的吸附位点,因此能够改善其吸附性能。

a)XRD谱图b)FTIR谱图c)N2吸附-解吸等温线图3 CaAl-LDH和FeAl-LDH的XRD、FTIR谱图和N2吸附-解吸等温线Fig.3 XRDpatterns,FTIRspectraandN2adsorption-desorptionisothermsofCaAl-LDHandFeAl-LDH

2.2 水滑石吸附Cr(VI)的实验条件优化

溶液的pH值会影响Cr(VI)在水中的存在状态,同时也是影响吸附剂表面酸碱性质的重要因素。图4 a)是初始溶液pH值对CaAl-LDH和FeAl-LDH去除Cr(VI)的影响, 可见溶液pH值的变化对CaAl-LDH和FeAl-LDH吸附Cr(VI)的影响很小, 去除率保持在90%以上。 考虑到实际废水的pH值为6~9, 在后续的实验中未调整溶液的pH值。

a)溶液初始pH值影响b)吸附时间影响c)共存离子影响图4 溶液初始pH值、吸附时间和共存离子对CaAl-LDH和FeAl-LDH吸附Cr(VI)的影响Fig.4 EffectsofinitialsolutionpHvalue,contacttimeandcoexistinganionsonadsorptionofCr(VI)byCaAl-LDHandFeAl-LDH

图4 b)为吸附时间与吸附量的关系曲线。在10 min时,CaAl-LDH和FeAl-LDH的吸附容量分别为26.48、 29.12 mg/g。随着时间地增加,CaAl-LDH和FeAl-LDH对Cr(VI)的吸附量缓慢增加,随后达到平衡状态,因此在后续实验中,选择30 min作为吸附振荡时间。

在实际废水中存在的各种阴离子,也是影响吸附剂去除Cr(VI)的重要因素。图4 c)是共存离子对CaAl-LDH和FeAl-LDH去除Cr(VI)的影响。加入的对FeAl-LDH去除Cr(VI)几乎没有影响,而的加入稍微降低了其对Cr(VI)去除,可能是这2种二价阴离子与铬酸根阴离子的竞争吸附所致;对于CaAl-LDH,加入的常见阴离子均使其对Cr(VI)吸附量有所降低。

2.3 动力学研究

吸附动力学是对吸附过程分析的重要分析手段。采用拟一级和拟二级动力学方程对实验数据进行了动力学分析[28-30],所用公式如下:

(3)

(4)

式中: t为水滑石与Cr(VI)的反应时间, min; qeqt分别为反应平衡时和t时对Cr(VI)的去除量, g/kg; k1为拟一级动力学方程速率常数, 1/min; k2为拟二级动力学方程速率常数,g/(mg·min)。

表1和图5分别为动力学模型的计算参数和拟合图。从表1中相关系数(R2)可知,CaAl-LDH和FeAl-LDH吸附剂对Cr(VI)的吸附去除与拟二级动力学方程(R2>0.999)拟合较好,拟二级方程计算的吸附量和实测值非常接近,也进一步表明该吸附过程符合拟二级动力学,主要是化学吸附控制,这与文献报道的一致[14,21]

表1 CaAl-LDH和FeAl-LDH吸附Cr(VI)的动力学方程参数

Tab.1 Adsorption kinetic constants of CaAl-LDH and FeAl-LDH for Cr(VI)

吸附剂实测值q(e,exp)/(g·kg-1)拟一级动力学方程q(e,cal)/(g·kg-1)K1/min-1R2拟二级动力学方程q(e,cal)/(g·kg-1)K2/(g·(mg·min)-1)R2CaAl-LDH28.9917.830.05550.931629.130.02710.9999FeAl-LDH31.4016.450.06910.629431.620.02660.9993

2.4 等温线研究

在优化的实验条件下进行了CaAl-LDH和FeAl-LDH吸附去除水中Cr(VI)的吸附等温线实验,结果见图6,并用常见的Langmuir和Freundlich等温线吸附模型拟合了实验数据[31-33]。所用方程如下:

图5 CaAl-LDH和FeAl-LDH吸附Cr(VI)的拟二级动力学方程拟合Fig.5 PseudosecondorderkineticequationlinearfitforCr(VI)adsorptionbyCaAl-LDHandFeAl-LDH图6 CaAl-LDH和FeAl-LDH吸附Cr(VI)的等温线Fig.6 AdsorptionisothermsofCaAl-LDHandFeAl-LDHforaqueousCr(VI)

qe=qmKLρe/(1+KLρe),

(5)

(6)

式中: qeqm分别表示2种水滑石的平衡吸附量和最大吸附量, g/kg; ρe为吸附平衡时Cr(VI)溶液的质量浓度, mg/L; KL为Langmuir方程的常数, L/mg; KF为Freundlich方程的常数,(g/kg) (L/mg)n

表2是等温线数据拟合后得到的相关参数。从R2值可以看出,Langmuir方程较好地拟合了CaAl-LDH和FeAl-LDH吸附去除溶液中Cr(VI)的等温线数据,对Cr(VI)的理论最大吸附量分别为34.92、 51.31 mg/g,说明FeAl-LDH的吸附性能优于CaAl-LDH,与比表面积数据一致。

表2 CaAl-LDH和FeAl-LDH吸附Cr(VI)的等温线模型参数

Tab.2 Adsorption isotherm constants of CaAl-LDH and FeAl-LDH for Cr(VI)

吸附剂Langmuir模型qm/(g·kg-1)KL/(L·mg-1)R2Freundlich模型KF/((g·kg-1)(L·mg-1)n)1/nR2CaAl-LDH34.920.60420.999711.370.29130.7945FeAl-LDH51.310.88310.998621.130.22290.6572

2.5 吸附剂评价

表3是不同水滑石对Cr(VI)吸附性能的比较。与其他报道的LDHs吸附剂相比,CaAl-LDH和FeAl-LDH的最大吸附容量较高,且水溶液pH值对吸附过程的影响较小,因此,CaAl-LDH和FeAl-LDH可作为高效去除Cr(VI)的优良吸附剂,具有广阔的应用前景。

表3 不同LDH对Cr(VI)吸附性能比较

Tab.3 Comparison of adsorption capacities of various LDHs for aqueous Cr(VI)

吸附剂qm/(g·kg-1)pH值来源CaAl-LDH34.922.0~10.0本文FeAl-LDH51.312.0~10.0本文NiFe-LDH26.782.0文献[34]ZnAl-CLDH21.303.0文献[35]MgAlZr-LDH24.324.0文献[36]LDH/ESM27.905.1文献[37]

图7 FeAl-LDH和CaAl-LDH对实际水样中Cr(VI)的吸附量
Fig.7 Adsorption capacities of FeAl-LDH and CaAl-LDH for Cr(VI) in real wastewater samples

图7为2种水滑石去除实际水样中Cr(VI)的效果。相比于去除蒸馏水中的Cr(VI), FeAl-LDH对实际水样中Cr(VI)的吸附量有所减小,而CaAl-LDH对实际水样中Cr(VI)的吸附量减少较大,这可能与实际水样中含有较多的离子,存在竞争吸附有关。FeAl-LDH在实际水样中对Cr(VI)的吸附量仍在25 g·kg-1左右,说明有较大的应用价值。

3 结论

1)以常见的Ca、 Fe、 Al盐为原材料,采用水热法制备了2种水滑石纳米材料CaAl-LDH和FeAl-LDH,XRD、 FTIR、 SEM和BET表征结果说明材料呈六边形片状结构,具有典型的水滑石特征衍射峰,FeAl-LDH的比表面积大于CaAl-LDH的。

2)通过静态吸附实验对CaAl-LDH和FeAl-LDH吸附Cr(VI)的实验条件进行了优化,最佳实验条件为:振荡时间30 min,不受溶液初始pH的影响,溶液中共存的阴离子对吸附影响较小。

3)CaAl-LDH和FeAl-LDH对Cr(VI)的吸附过程较快,在30 min达到平衡,动力学数据均符合拟二级动力学模型。

4)CaAl-LDH和FeAl-LDH吸附Cr(VI)的等温线符合Langmuir模型,理论最大吸附量分别为34.92、 51.31 g/kg。

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Preparation of CaAl- and FeAl-layered double hydroxides and adsorptive removal Cr(VI) in aqueous solutions

WANG Pengrui1,2, YANG Dan1, ZHANG Xue1, LI Jing1, YAN Liangguo1

(1. School of Water Conservancy and Environment, University of Jinan, Jinan 250022, China;2. Jinan Shizhong Environmental Monitoring Station, Jinan 250001, China)

Abstract: To obtain layered double hydroxide (LDH) based functional materials for efficient removal hexavalent chromium (Cr(VI)) from water, CaAl-LDH and FeAl-LDH were prepared by the hydrothermal method. The structure and property were investigated by X-ray diffraction pattern (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy, scanning electron microscopy and specific surface area measurement. Batch equilibrium experiments were used to evaluate the adsorption performance of the as-prepared CaAl-LDH and FeAl-LDH for aqueous Cr(VI). The experimental results show that CaAl-LDH and FeAl-LDH have typical XRD peaks of LDH, mesoporous structure and hexagonal laminar shape. The specific surface areas are 8.746 and 159.5 m2/g. The adsorption processes of Cr(VI) by CaAl-LDH and FeAl-LDH are fast and reache equilibrium within 30 min, andare not affected by the initial solution pH value and the common coexisting anions. The kinetic and isothermal data follow the pseudo-second-order kinetic equation and the Langmuir model, respectively. The maximum adsorption capacities of CaAl-LDH and FeAl-LDH for aqueous Cr(VI) are 34.92 and 51.31 g/kg.

Keywords: CaAl-LDH; FeAl-LDH; hexavalent chromium; adsorption; hydrothermal method

中图分类号:X52

文献标志码:A

文章编号:1008-5548(2021)03-0059-09

doi:10.13732/j.issn.1008-5548.2021.03.008

收稿日期: 2020-12-27,修回日期:2021-02-22。

基金项目:国家自然科学基金项目,编号:21577048。

第一作者简介:王鹏瑞(1990—),男,硕士研究生,研究方向为环境监测与水污染治理技术。E-mail:502276827@qq.com。

通信作者简介:闫良国(1971—),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为环境功能材料。E-mail:chm_yanlg@ujn.edu.cn。