摘要: 废水中的有机染料和重金属离子具有极强的活性、稳定性、扩散性和致癌性，对人体健康和生态环境有着极大地危害。与化学沉淀法、离子交换法等传统方法相比，吸附法有着操作简单、成本低廉和去除效率高等优点，在污水处理邻域应用十分广泛。吸附法的关... 展开 废水中的有机染料和重金属离子具有极强的活性、稳定性、扩散性和致癌性，对人体健康和生态环境有着极大地危害。与化学沉淀法、离子交换法等传统方法相比，吸附法有着操作简单、成本低廉和去除效率高等优点，在污水处理邻域应用十分广泛。吸附法的关键在于吸附剂的选择。有机吸附剂和无机吸附剂结合组成的复合吸附剂具有大的比表面积和丰富的活性官能团，从而呈现出更好的吸附性能。但是目前研发的复合吸附剂的吸附性能依旧较低，无法满足实际需求；且这些复合吸附剂通常只能去除一种污染物，不能同时吸附有机染料和重金属离子，也限制了其实际应用。 针对复合吸附剂吸附能力较差以及通常只能去除一种污染物的问题，本论文选用MXene作为吸附剂，聚吡咯(Polypyrrole,PPy)、聚多巴胺(Polydopamine,PDA)和聚乙烯亚胺(Polyethyleneimine,PEI)作为改性剂，制备了对亚甲基蓝(Methyleneblue,MB)、甲基橙(Methylorange,MO)和六价铬离子(Hexavalentchromium,Cr(Ⅵ))具有优异吸附性能的MXene纳米复合材料。主要结果如下： (1)针对MXene的吸附能力有限和在空气中容易氧化的问题，利用氟化锂(Lithiumfluoride,LiF)和盐酸(Hydrochloricacid,HCl)刻蚀碳化钛铝(Titaniumaluminumcarbide,Ti3AlC2)后，经过超声、手摇和离心等步骤制备得到少层MXene(Few-layeredMXene,f-MXene)纳米片；再通过原位聚合的方法将PPy纳米颗粒负载在f-MXene纳米片表面，制备得到MXene/PPy复合颗粒。吸附测试结果表明，MXene/PPy复合颗粒对MB具有优异的吸附能力，且吸附行为符合Langmuir等温吸附模型和伪二阶动力学模型，吸附过程是自发吸热的，最大理论吸附量为553.6mg/g；Zeta电位显示在溶液pH值为1-6的环境中，MXene/PPy复合颗粒表面带负电荷，使得MXene/PPy复合颗粒通过静电作用力、氢键和π-π相互作用吸附MB；此外，对比存储两个月前后各样品的吸附量发现，在空气和常温条件下贮存两个月后，f-MXene纳米片的吸附量明显降低，而MXene/PPy复合颗粒的吸附量略有提高，说明MXene/PPy复合颗粒具有更好的稳定性。稳定性提高的机理归因于PPy纳米颗粒负载在MXene表面，形成一层保护膜，阻止了MXene与空气的接触，抑制了MXene的氧化，从而提高了MXene的稳定性。 (2)针对MXene表面的负电荷不利于吸附Cr(Ⅵ)的问题，采用多巴胺(Dopamine,DA)自聚合的方式将PDA纳米颗粒包覆在f-MXene纳米片上，制备得到MXene/PDA(MPDA)复合颗粒。吸附测试结果表明，PDA包覆程度越大，MPDA复合颗粒对Cr(Ⅵ)的吸附性能越好，其中Cr(Ⅵ)吸附效果最好的是MPDA-10复合颗粒，且其吸附行为符合Langmuir等温吸附模型和伪二阶动力学模型，吸附过程是自发吸热的，最大理论吸附量为862.3mg/g；吸附机理归因于MXene的含氧官能团和PDA链上的氨基、酚羟基在酸性溶液中发生质子化，使MPDA复合颗粒带正电荷，从而通过静电作用力吸附Cr(Ⅵ)；进一步研究表明，MPDA复合颗粒的官能团能够提供电子和质子，将Cr(Ⅵ)还原为三价铬(Trivalentchromium,Cr(Ⅲ))，且MPDA-10复合颗粒的还原率为54.3%；研究还显示，PDA纳米颗粒也能够提高MXene的稳定性，其稳定性提高机理与MXene/PPy复合颗粒相同。 (3)废水中通常同时含有有机染料和重金属离子，因此仅能去除其中一种污染物的MXene材料无法满足实际需求。针对上述问题，采用戊二醛(Glutaraldehyde,GA)作交联剂，将不同相对分子质量的PEI接枝到f-MXene纳米片上，制备得到一系列MXene/PEI(MPEI)复合颗粒。吸附测试结果显示，MPEI复合颗粒对MO和Cr(Ⅵ)都具有优异的吸附能力，对MO吸附效果最好的是MPEI600复合颗粒，Cr(Ⅵ)吸附性能最好的是MPEI70000复合颗粒，两者的吸附行为都符合Langmuir等温吸附模型和伪二阶动力学模型，计算得到的最大吸附量分别为910.4mg/g和870.5mg/g，且吸附过程是自发吸热的；吸附机理是MXene的含氧官能团和PEI的氨基在酸性溶液中质子化，使MPEI复合颗粒带正电荷，从而通过静电作用力吸附MO和Cr(Ⅵ)，MPEI复合颗粒的官能团也可以通过氢键吸附MO；而且MPEI70000复合颗粒对Cr(Ⅵ)的还原率为52.2%；稳定性测试发现PEI在一定程度上可以提高MXene的稳定性，稳定性提高机理与MXene/PPy和MPDA复合颗粒相同。 通过本论文的研究，成功制备出能够高效去除MB、MO和Cr(Ⅵ)且具有良好稳定性的MXene复合材料，这对于功能化改性MXene和扩展MXene在污水处理中的应用具有重要意义。 收起