铁离子改性类水滑石吸附磷酸根的研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2024-0561

摘要/Abstract

摘要：

镁铝类水滑石（MgAl-LDH）的层间阴离子交换是其吸附磷酸根的主要作用机理，增强层间离子交换作用，有望实现对磷酸根的高效去除。采用铁离子对MgAl-LDH改性制备铁镁铝类水滑石（Fe _x MgAl-LDH，x为铁离子浓度，mmol/L），用来吸附溶液中的磷酸根。结果表明，Fe₅₀MgAl-LDH在pH为3.0~8.0具有较好的吸附性能，受共存离子干扰较小，循环再生性能良好；Fe₅₀MgAl-LDH对磷酸根的最大吸附量为53.47 mg/g，且对磷酸根的吸附速率〔0.12 g/（mg·min）〕是MgAl-LDH的2.4倍；对磷酸根的吸附过程符合拟二级反应动力学模型和Langmuir等温线模型，以单分子层化学吸附为主。结合X射线衍射（XRD）、傅里叶红外光谱（FTIR）表征对类水滑石材料吸附磷酸根进行机理研究，表明Fe₅₀MgAl-LDH对磷酸根优异的吸附性能主要是由于层间离子交换能力及配体交换作用的增强。

关键词: 镁铝类水滑石, 铁离子改性, 吸附磷酸根, 层间交换

Abstract:

The interlayer anion exchange of magnesium-aluminium layered double hydroxide(MgAl-LDH) is the main limiting factor for phosphate adsorption. Therefore, the enhancement of interlayer ion exchange is expected to achieve efficient removal of phosphate. In this study, ternary layered double hydroxides(Fe _x MgAl-LDH, where x represents the ferrous ion concentration in mmol/L) was prepared to adsorb phosphate from aqueous solutions. The results showed that Fe₅₀MgAl-LDH exhibited superior adsorption performance within pH range of 3.0-8.0, with minimal interference from coexisting ions and excellent regeneration capability. The maximum phosphate adsorption capacity of Fe₅₀MgAl-LDH reached 53.47 mg/g, and its adsorption rate 〔0.12 g/(mg·min)〕 was 2.4 times higher than that of MgAl-LDH. The adsorption process fitted the pseudo-second-order kinetic model and the Langmuir isotherm model, indicating the monolayer chemisorption. Combined with X-ray diffraction(XRD) and Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR), the mechanism of phosphate adsorption by the LDH material was investigated. The results revealed that the enhanced phosphate adsorption performance of Fe₅₀MgAl-LDH was mainly attributed to the improved interlayer ion exchange and ligand exchange effects.

Key words: magnesium-aluminium layered double hydroxide, ferrous modification, phosphate adsorption, interlaminar exchange

中图分类号:

X703

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https://www.iwt.cn/CN/Y2025/V45/I7/147

图/表 14

图1 铁离子浓度对材料吸附性能的影响

Fig.1 Effect of ferrous ion concentration on the adsorption properties of materials

图2 Fe₅₀MgAl-LDH和MgAl-LDH的Zeta电位

Fig.2 Zeta potential of Fe₅₀MgAl-LDH and MgAl-LDH

图3 MgAl-LDH和Fe₅₀MgAl-LDH的XRD谱图（a）和FTIR谱图（b）

Fig.3 XRD（a） and FTIR（b） spectra of MgAl-LDH and Fe₅₀MgAl-LDH

图4 MgAl-LDH和Fe₅₀MgAl-LDH的SEM图像

Fig.4 SEM images of MgAl-LDH and Fe₅₀MgAl-LDH

图5 MgAl-LDH（a）和Fe₅₀MgAl-LDH（b）的氮气吸附-脱附等温曲线及孔径分布

Fig.5 N₂ adsorption-desorption curves and pore size distributions of MgAl-LDH（a） and Fe₅₀MgAl-LDH（b）

表1 MgAl-LDH和Fe₅₀MgAl-LDH的结构参数

Table 1 Structural parameters of MgAl-LDH and Fe₅₀MgAl-LDH

吸附剂	比表面积/（m²·g^-1）	总孔体积/（cm³·g^-1）	平均孔径/nm
MgAl-LDH	55.15	0.214	14.80
Fe₅₀MgAl-LDH	82.52	0.246	11.21

图6 初始pH对磷酸根吸附效果的影响

Fig.6 Effect of initial pH on the phosphate adsorption

图7 Fe₅₀MgAl-LDH and MgAl-LDH的吸附动力学曲线

Fig.7 Adsorption kinetics curves of Fe₅₀MgAl-LDH and MgAl-LDH

表2 Fe₅₀MgAl-LDH和MgAl-LDH对磷酸根吸附的动力学模型拟合参数

Table 2 Kinetic model parameters of phosphate adsorption by Fe₅₀MgAl-LDH and MgAl-LDH

吸附剂	q _e实验值	拟一级反应动力学			拟二级反应动力学
吸附剂	q _e实验值	q _e计算值	k ₁	R ²	q _e计算值	k ₂	R ²
Fe₅₀MgAl-LDH	16.46	16.21	0.84	0.983	16.58	0.12	0.996
MgAl-LDH	8.71	7.76	0.29	0.886	8.23	0.05	0.966

图8 Fe₅₀MgAl-LDH和MgAl-LDH的等温吸附拟合曲线

Fig.8 Adsorption isotherm curve of Fe₅₀MgAl-LDH and MgAl-LDH

表3 Fe₅₀MgAl-LDH和MgAl-LDH对磷酸根吸附的等温模型拟合参数

Table 3 Isotherm model parameters of phosphate adsorption by Fe₅₀MgAl-LDH and MgAl-LDH

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
Fe₅₀MgAl-LDH	53.47	1.11	0.998	7.19	27.18	0.939
MgAl-LDH	25.63	0.12	0.996	3.52	6.65	0.930

图9 共存离子对类水滑石吸附性能影响

Fig.9 Effect of co-existing ion on adsorption properties of hydrotalcite

图10 Fe₅₀MgAl-LDH和MgAl-LDH的循环稳定性

Fig.10 Cycling stability of Fe₅₀MgAl-LDH and MgAl-LDH

图11 MgAl-LDH和Fe₅₀MgAl-LDH吸附磷酸根前后的XRD谱图（a）和FTIR谱图（b）

Fig.11 XRD （a） and FTIR spectra（b） before and after phosphate adsorption by MgAl-LDH and Fe₅₀MgAl-LDH

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