Mn<sup>2+</sup>调控制备ZnO、ZnMn-LDHs及其对磷酸盐的吸附研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-0631

摘要/Abstract

摘要：

含磷废水的大量排放使水体富营养化，最终导致区域水质恶化。为有效去除水中的磷酸盐，以硝酸锌、硝酸锰为原料，三乙醇胺/水为溶剂体系，采用水热法合成ZnO和层状锌锰氢氧化物（ZnMn-LDHs）纳米吸附材料，利用SEM、XRD、Zeta电位仪、FT-IR对纳米材料进行表征，并考察了纳米吸附材料对磷酸盐的去除性能。结果表明：n _Zn∶n _Mn是影响ZnMn-LDHs向ZnO纳米材料转变的主要因素；ZnO和ZnMn-LDHs对磷酸根的吸附均符合Freundlich等温吸附模型及准二级动力学模型；相同条件下，ZnMn-LDHs对磷酸根的吸附性能优于ZnO；通过0.01 mol/L的NaOH脱附可实现材料的再生，6次循环利用后，ZnO和ZnMn-LDHs对磷酸根的去除率仍可达80%以上。

关键词: ZnO, ZnMn-LDHs, 磷酸根, 循环利用

Abstract:

The discharge of phosphorus-containing wastewater has led to eutrophication of water bodies, ultimately resulting in the deterioration of regional water quality. To effectively remove phosphates from water, ZnO and layered zinc-manganese hydroxide (ZnMn-LDHs) nano-adsorption materials were synthesized using zinc nitrate and manganese nitrate as raw materials and triethanolamine/water as the solvent system by hydrothermal method. The nano-materials were characterized by SEM, XRD, Zeta potentiometer, and FT-IR. The removal performance of nano-adsorption materials for phosphates was investigated. The results showed that the ratio of n _Zn to n _Mn was the main factor affecting the transformation of ZnMn-LDHs to ZnO nano-materials. The adsorption of phosphate by ZnO and ZnMn-LDHs both conformed to the Freundlich isothermal adsorption model and pseudo-second-order kinetic model. Under the same conditions, the adsorption performance of ZnMn-LDHs for phosphate was better than that of ZnO. The regeneration of the materials could be achieved through desorption with 0.01 mol/L NaOH. After six cycles of utilization, the removal rates of phosphate by ZnO and ZnMn-LDHs could still reach over 80%.

Key words: ZnO, ZnMn-LDHs, phosphate radical, recycling

中图分类号:

夏梦岩, 田慧媛, 仝蕊蕊, 李阳, 崔节虎. Mn²⁺调控制备ZnO、ZnMn-LDHs及其对磷酸盐的吸附研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(7): 67-73.

Mengyan XIA, Huiyuan TIAN, Ruirui TONG, Yang LI, Jiehu CUI. Studies on preparation regulated by Mn²⁺ and phosphate adsorption of ZnO,ZnMn-LDHs[J]. Industrial Water Treatment, 2024, 44(7): 67-73.

https://www.iwt.cn/CN/Y2024/V44/I7/67

图/表 12

图1 不同n _Zn∶n _Mn纳米材料的SEM

Fig.1 SEM of nanomaterials with different n _Zn∶n _Mn

图2 不同n _Zn∶n _Mn纳米材料的FT-IR（a）和XRD（b）

Fig.2 FT-IR（a） and XRD（b） of nanomaterials with different n _Zn∶n _Mn

图3 不同n _Zn∶n _Mn纳米材料的Zeta电位

Fig.3 Zeta potential plots of nanomaterials with different n _Zn∶n _Mn

图4 pH对不同n _Zn∶n _Mn纳米材料的吸附性能影响

Fig.4 Effects of pH on the adsorption performance of nanomaterials with different n _Zn∶n _Mn

图5 投加量对吸附剂吸附性能的影响

Fig.5 Effects of dosage on the adsorption performance of adsorbent

图6 磷酸根初始质量浓度对3种吸附剂吸附性能的影响

Fig.6 Effect of initial mass concentration of phosphate radical on the adsorption performance of three adsorbents

表1 ZnMn-LDHs及ZnO吸附磷酸根的等温吸附模型参数

Table 1 Parmeters of isothermal adsorption model of ZnMn-LDHs and ZnO for adsorbing phosphate ions

吸附剂	Langmuir模型			Freundlich模型
吸附剂	Q _m/（mg·g^-1）	K _L	R ²	n	K _F	R ²
ZnMn-LDHs（n _Zn∶n _Mn=1∶1）	769.230 7	0.135 4	0.968 7	1.982 2	94.764 9	0.972 1
ZnO（n _Zn∶n _Mn=1∶3）	909.090 9	0.019 5	0.766 8	1.774 3	39.865 0	0.973 1
ZnMn-LDHs（n _Zn∶n _Mn=3∶1）	769.230 7	0.166 7	0.963 2	2.113 3	112.990 1	0.975 3

图7 温度对不同n _Zn∶n _Mn纳米材料的吸附性能影响

Fig.7 Effects of temperature on the adsorption performance of nanomaterials with different n _Zn∶n _Mn

表2 ZnMn-LDHs及ZnO对磷酸根的吸附热力学参数

Table 2 Thermodynamic parameters of ZnMn-LDHs and ZnO adsorption for phosphate ions

吸附剂

ΔG/

（kJ·mol^-1）

ΔH/

（kJ·mol^-1）

ΔS/

（kJ·mol^-1·K^-1）

ZnMn-LDHs（n _Zn∶n _Mn=1∶1）

ZnMn-LDHs（n _Zn∶n _Mn=3∶1）

-30.91

78.62

0.376

图8 反应时间对不同n _Zn∶n _Mn纳米材料吸附性能的影响

Fig.8 Effects of reaction time on the adsorption performance of nanomaterials with different n _Zn∶n _Mn

表3 ZnMn-LDHs及ZnO对磷酸根的吸附动力学拟合参数

Table 3 Fitting parameters of adsorption kinetics of ZnMn-LDHs and ZnO on phosphate ions

吸附剂	准一级动力学模型			准二级动力学模型
吸附剂	Q _e/（mg·g^-1）	K ₁/min^-1	R ²	Q _e/（mg·g^-1）	K ₂/（g·mg^-1·min^-1）	R ²
ZnMn-LDHs（n _Zn∶n _Mn=1∶1）	99.912 1	0.055 2	0.821 8	100	0.023 8	0.999 96
ZnO（n _Zn∶n _Mn=1∶3）	92.050 8	0.044 3	0.976 7	92.59	0.021 6	0.999 97
ZnMn-LDHs（n _Zn∶n _Mn=3∶1）	99.958 3	0.054 5	0.945 8	100	0.076 9	1

图9 3种吸附剂的循环性能

Fig.9 Cycle performance diagrams of three adsorbents

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