Mg-Al层状双金属氢氧化物的制备及其吸附性能研究

尹仕豪，孙艺菡，李　明，高艺文，黄　蝶，饶品华

(上海工程技术大学化学化工学院，上海　201620)



Mg-Al层状双金属氢氧化物的制备及其吸附性能研究

尹仕豪，孙艺菡，李明，高艺文，黄蝶，饶品华

(上海工程技术大学化学化工学院，上海201620)

通过共沉淀法制备了Mg-Al层状双金属氢氧化物(LDHs)并对其进行Cr6+吸附性能的研究。动力学实验结果表明：Mg-Al水滑石对Cr6+的吸附效果明显，在2 h的时候就可以达到95%的去除率；热力学实验结果表明Mg-Al水滑石对Cr6+的吸附量随Cr6+浓度的增加初期快速上升而后趋于稳定。Mg-Al水滑石对Cr6+的等温吸附数据符合Langmuir方程。在25 ℃时Mg-Al水滑石对Cr6+的饱和吸附量高达68 mg·g-1；而后主要对吸附影响因素进行分析，结果表明Mg-Al水滑石受pH影响较大，溶液为中性时效果最佳；溶液中的无机阴离子会大大降低Mg-Al水滑石的吸附能力。

Mg-Al 水滑石；吸附；Cr6+离子；共沉淀吸附；影响

层状双金属氢氧化物(简称LDHs)又称类水滑石，是由两种或两种以上金属元素组成的具有水滑石层状晶体结构的氢氧化物。 LDHs具有层状结构，层片带结构正电荷，层间存在可交换阴离子，其晶体结构如图1所示。

图1　LDHs的晶体结构示意图

1　实验部分

1.1试剂与仪器

氯化铝(六水)，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；氯化镁(五水)，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

THZ-C台式恒温振荡器，太仓市实验设备厂； AL104电子天平，梅特勒-托利多仪器有限公司；循环水式真空泵，巩义市英谷予华仪器厂；DHG-9145型电热恒温鼓风干燥器，上海一恒科技有限公司；DZ-1型 磁力搅拌机，上海第二分析仪器厂。

1.2Mg-Al LDHs的制备

通常合成LDHs采用的是共沉淀法、离子交换法、诱导水解法、焙烧还原法[6]。本实验采用共沉淀法，即在恒定的pH值条件下，进行双滴定制得。

用MgCl2·5H2O和AlCl3·6H2O作为原料分别以摩尔比为3:1配制成混合盐溶液，以1 mol/L的NaOH溶液为沉淀剂，采用液相共沉淀法制备Mg-Al LDHs。按pH值恒定法在高速搅拌下，将以1 mol/L的NaOH溶液与混合盐溶液按照适当滴速比例缓慢混合，生成沉淀，混合体系的pH值控制在10～12左右。实验证明滴定速率比例大概在1:7(NaOH溶液)左右效果最好。将溶液老化18 h后，抽滤，洗涤，然后将滤饼密封于玻璃瓶中，在80 ℃恒温箱中加热18 h左右，得到Mg-Al LDHs固体样品。将得到的固体样品研磨成粉末，即为试验所需的Mg-Al LDHs。

1.3平衡吸附实验

准确称取2 g的水滑石样品于40 mL玻璃瓶中，分别加入浓度为5 mg·L-1，10 mg·L-1，25 mg·L-1，50 mg·L-1，100 mg·L-1，200 mg·L-1，300 mg·L-1的重铬酸钾溶液40.00 mL，30 ℃下置于恒温振荡器中振荡，转速为120 r/min，温度设定为30 ℃，连续振荡24 h后过滤并静置1 h，测定平衡溶液中Cr6+浓度，平衡吸附量Qe按式(1)计算。

(1)

式中，C0和Ce分别为吸附前和吸附平衡时溶液中Cr6+的质量浓度，W0为溶液中吸附剂的用量。

2　Mg-Al LDHs对Cr6+的吸附效果

2.1吸附动力学

由图2可知,Mg-Al LDHs在20 h左右时达到饱和，但是在2 h的时候就可以达到95%的去除率。

图2　LDHs对Cr6+离子的吸附动力学实验

2.2吸附热力学

图3　LDHs对Cr6+离子去除的吸附热力学曲线

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。当磷的初始浓度小于150 mg·L-1时，镁铝水滑石对Cr6+的吸附效果十分显著，去除率在96%～99%之间。随着Cr6+初始浓度的不断增加，镁铝水滑石逐渐达到饱和状态，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达到200 mg·L-1时，Mg-Al水滑石对Cr6+的饱和吸附量高达68 mg·g-1，去除率达到85%，这一系列吸附结果表明镁铝水滑石对Cr6+的吸附效果十分显著。

图4　langmuir模拟曲线

图5　镁铝水滑石对Cr6+的等温吸附曲线

2.3吸附机理分析

吸附机理的探讨至关重要，有助于了解吸附剂-吸附质两者之间的相互作用关系，从而为优化实验条件，改善实验手段提供了可靠的依据。LDHs 对于水体中阴离子污染物的吸附去除机理，已经有了很多的研究[7-8]。 作者认为原因主要可分为以下两点：

(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。

3　Mg-Al LDHs吸附影响因素

3.1pH

图6　pH对LDHs去除Cr6+离子的影响

3.2离子共存

图7　NaCl对LDHs去除Cr6+离子的影响

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。

当前的研究中，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。

3.3投加量

图8　LDHs投加量对Cr6+离子去除效果的影响

由图8可知,随着Mg-Al LDHs投加量的增加，铬离子的去除率增加。对于40 mg·L-1，50 mL的Cr6+溶液，0.1g的投加量可以达到98%的去除率，是实际生活中去除Cr6+的一个很好的选择。

4　结　论

经实验表明，Mg-Al水滑石对Cr6+的吸附效果十分显著，2 h 的时候就可以达到95%的去除率，饱和吸附量是68 mg·g-1。而且其等温吸附数据符合Langmuir方程。虽然pH和溶液中的阴离子会对其吸附性能造成一定的影响，但如果使用得当，Mg-Al水滑石将会是一种十分优秀的去除Cr6+的吸附剂。因此Mg-Al水滑石可以在工业中进行大规模生产，广泛应用于生活污水对铬的去除中。

[1]汪大翚，徐新华，宋爽.工业废水中专项污染物处理手册[M].北京:化学工业出版社，2000:28-31.

[2]杨冬梅.铬与人体健康[J].科技创新导报，2008(30): 179.

[3]郭沛涌，陈克诚，刘英.化学混凝法处理制革废水中铬 的研究[J].工业水处理，2008，28(9):37-39.

[4]张志军，李玲，朱宏，等.化学沉淀法去除电镀废水中铬 的实验研究[J].环境科学与技术，2008，31(7):96-98.

[5]邓小红，宋仲容.电镀含铬废水处理技术研究现状与发 展趋势[J].重庆文理学院学报:自然科学版，2008，27 (5):70-73.

[6]郗丽娟，刘莹，吕洪滨，等. 层状双金属氢氧化物的制备及其在处理阴离子污染物方面的应用[J].硅酸盐通报，2013(8):1567-1572.

[7]周友飞，铭皓，盛力，等. 层状双金属氢氧化物在有机污染物 吸附方面的应用[J].水处理技术，2012，38(11):1-7.

[8]Peng Cai，Hong Zheng，Chong Wang，et al.Competive adsorption characteristics of fluoride and phosphate on calcined Mg-Al-CO3layered double hydroxides[J]. Journal of Hazardous Materials，2012，213-214(2):100-108.

Study on Synthesis and Adsorption Characteristics of Mg-Al Layered Double Hydroxides

YINShi-hao,SUNYi-han,LIMing,GAOYi-wen,HUANGDie,RAOPin-hua

(College of Chemistry and Chemical Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China)

Mg-Al layered double hydroxides (LDHs) were synthesized by co-precipitation and its adsorption capacity on Cr6+was studied. Kinetics experiment result showed that Mg-Al LDHs were effective in Cr6+adsorption and the removal ratio reached 95% within 2 h. Thermodynamics experiment result showed that the quantity of Cr6+sorption increased rapidly with the raise of Cr6+concentration at the initial stage and then approached to a constant level in later period. The Cr6+sorption of the Mg-Al LDHs fitted well with the Langmuir isotherm. The saturated adsorption capacity of Cr6+on the Mg-Al LDHs was found to be 68 mg·g-1on 25 ℃,indicated that the Mg-Al LDHs was a fine adsorbent material for removing Cr6+from the aqueous solution. Comparing adsorption efficiency of different adsorption conditions, the result showed that the adsorption capacity influenced by solution pH value and the neutral solution was the best adsorption condition in Cr6+removal. Besides, the anions in aqueous solution will reduce the Cr6+adsorption capacity of Mg-Al LDHs.

Mg-Al LDHs; adsorption；Cr6+ion; coprecipitation adsorption

X52

A

1001-9677(2016)03-0084-03