MCM-41介孔材料的制备、有机功能化改性及吸附性研究

关键词：重金属离子，ＭＣＭ－４１，有机功能化，吸附性能
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｗｉ也ｔｈｅ
ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ ｐａｃｅ ｏｆ ｍｏｄｅｍ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ，ａ ｌａｒｇｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｉｓｃｈａｒｇｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ
ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗａｓ ｔａｋｅｎ ｂｙ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＥＭ），
Ｘ．ｒａｙ ｉｎｆｒａｒｅｄ
ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＸＲＤ），
ｎｉｔｒｏｇｅｎ
ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ－ｄｅｓｏｒｐｆｉｏｎ
ａｎｄ
ｆｏｕｒｉｅｒ
ｔｒａｎｓｆｏｒｍ
研究生（签名）：
盔蓥
日期勿Ｚ．，ｚ．‘
学位论文使用授权书
本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大 学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信
ｏｎ
ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ Ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ
ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｉｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ａｎｄ
ｎａｔｕｒｅ．
Ｔｈｅ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ＭＣＭ一４ １ ａｎｄ ｉｔｓ ｏｒｇａｎｉｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ
两种偶联剂作为表面功能化试剂，采用共缩聚和后嫁接两种改性方式，分别制
备了氨基和巯基修饰的ＭＣＭ．４１有机功能化吸附剂。在表征其结构和性质的基 础上，研究吸附剂对四种重金属离子的吸附性能。 采用扫描电子显微镜（ＳＥＭ）、Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）、氮气吸附．脱附以及傅立 叶红外光谱（ＦＴＩＲ）等现代化测试手段，对ＭＣＭ．４１及其有机功能化介孔吸附材 料进行表征分析。通过ＩＲ测试发现，采用共缩聚和后嫁接法均能够使氨基和巯 基成功地负载到ＭＣＭ．４１材料表面；而ＸＲＤ和扫描电镜分析表明，经过改性后 的功能吸附剂仍然保留了纯ＭＣＭ．４１介孔材料的骨架结构特征，但受材料表面 负载的有机功能基团的影响，其有序度出现不同程度的下降。 以ＭＣＭ．４１及有机功能化介孔材料为吸附剂，在室温（２５＂Ｃ）条件下，研究其 对Ｃｕ２＋、Ｚｎ２＋、Ｐｂ２＋、Ｃｒ３＋四种重金属离子的吸附性能，得出功能吸附剂对四种 重金属离子的吸附平衡时间均为１８０ｍｉｎ。并且采用后嫁接法改性的有机功能吸 附剂的吸附性能始终优于共缩聚法。其中，采用后嫁接法负载氨基的有机功能
武汉理工大学硕士学位论文
１ ８０ｍｉｎ．Ａｎｄ ｔｈｅ ａｄｓｏｒｂｅｎｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｂｙ ｇｒａｆｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ａｌｗａｙｓ ｂｅｔｔｅｒ ｃｏｐｏｌｙｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ａｍｉｎｏ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ａｄｓｏｒｂｅｎｔ ｂｙ ｃａｐａｃｉｔｙ ｇｒａｆｔｉｎｇ
ｓｏｒｂｅｎｔｓ
ｃｏｐｏｌｙｃｏｎｄｅｎｓａｔｅ ａｎｄ ｇｒａｆｔｉｎｇ
３－Ａｍｉｎｏｐｒｏｐｙｌｔｒｉｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ ａｎｄ
３－Ｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌｙｌｐｒｏｐａｎｅｔｈｉｏｌ ｕｓｅｄ
ｓｕｒｆａｃｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｒｅａｇｅｎｔ．Ｔｈｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ａｄｓｏｒｂｅｎｔｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｏｕｒ
Ｙ２２５２２２０
武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书
独创性声明
本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。
１．２
ＭＣＭ一４１介孔材料的有机功能化改性……………………………………７ １．２．１共缩聚法……………………………………………………………．８ １．２．２后嫁接法……………………………………………………………．９
１．３功能化介孔材料在污水处理中的应用…………………………………．．１ Ｏ １．４本课题研究的目的和意义………………………………………………．．１２ １．５本文研究的主要内容……………………………………………………．．１３ 第２章ＭＣＭ－４１介孔材料的制备及性能分析…………………………………．．１４ ２．１实验原材料…………………………………………………………………１４ ２．２实验仪器…………………………………………………………………．．１ ５
ａｎ
ａｎｄ
ａ
ｎａｒｒｏｗｅｒ ｐｏｒｅ
ｓｉｚｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．ｉｔ ｉＳ ｂｅｃｏｍｉｎｇ Ｉｎ ｔｈｉｓ
ｉｄｅａｌ ａｄｓｏｒｂｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌ．
ｏｆ ＭＣＭ－４ １ ｐａｐｅｒ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｈｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ａｄｓｏｒｂｅｎｔ ｆｏｒ
ｔｈａｎ
ｌｏａｄｅｄ ｏｒｇａｎｉｃ
ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ
Ｃｕ２＋，Ｐｂ２＋，Ｃｒ３＋ｉｓ
ｔｈｅ ｂｅｓｔ，ｔｈｅ
ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ
ｒｅａｃｈｅｄ
２１ ８．５６Ｉ．ｔｍｏｌ～ｇ－，２３４．１２９ｍｏｌ’分‘，１ ７９．０７１１ｍｏｌ‘ｇ－１
ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ １ ８４％，１ ２３％ａｎｄ ７４％；Ａｎｄ ｔｈｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ
７８％ｃｏｍｐａｒｅｄ
ｔｏ ｔｈｅ
ｕｎｍｏｄｉｆｉｅｄ ＭＣＭ一４１．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｈｅａｖｙ Ｍｅｔａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
Ｉｏｎｓ，ＭＣＭ－４ １，Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ，Ａｄｓｏｒｐｔｉｏ目
摘
录
要……………………………………………………………………………………………………………Ｉ
Ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌ一
研究生姓名 姓名
塞楚
曾黎明
４３００７０
指导教师
申请学位级别 论文提交日期
亟± ２Ｑ１２生！！旦
论文答辩日期
２Ｑ１２生１２旦
学位授予单位武这理工太堂学位授予日期
答辩委员会主席
王重龌
评阅人
王重龌
王 勇
２０１２年１ １月
ｆＭｌｒｒｌ ｉｌ ｌｆｌ ｌ ｌＩ Ｈｌ ｆｌ ｌ ｆｌｒｌＩｌｒｌｆｌ
ｔｏ
ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ ｉｏｎｓ
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｃａｕｓｅｄ ｇｒｅａｔ ｈａｒｍ ｍａｔｅｒｉａｌ ｈａｓ
ａ
ｈｕｍａｎ ｈｅａｌｔｈ．Ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ
ｈｉｇｈ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅａ，ｐｏｒｅ ｓｉｚｅ，ｐｏｒｅ ｖｏｌｕｍｅ
ｍｅｔｈｏｄｓ．ＸＲＤ
ａｎｄ
ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｗｅｄ
ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ａｄｓｏｒｂｅｎｔｓ ｈａｖｅ ｒｅｔａｉｎｅｄ ｔｈｅ ｓｋｅｌｅｔｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｐｕｒｅ
ＭＣＭ．４１ ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｏｒｄｅｒ ｓｕｆｆｅｒｅｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ
ｄｅｃｌｉｎｅ ｄｕｅ ｔｏ ｏｒｇａｎｉｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｇｒｏｕｐｓ
ｏｎ
ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｕｒｆａｃｅ．
Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｈｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｂｏｕｔ Ｃｕ２＋，Ｚｎ＋，Ｐｂ２＋，Ｃｒ３＋ｆｏｕｒ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ ｉｏｎｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｏｍ
ａｍｍｏｎｉｕｍ
ｂｒｏｍｉｄｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ
ａｓ
ｔｅｍｐｌａｔｅ ａｇｅｎｔ，ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ
ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ（ＴＥＯＳ）ｗａｓ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ＭＣＭ．４ １
ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｉｔｈ
ａｓ
ｕｓｅｄ ａｓ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｏｕｒｃｅ．Ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｌｙ，ａｍｉｎｏ ａｎｄ ｍｅｒｃａｐｔｏ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ
息服务。
（保密的论文在解密后应遵守此规定）
研究生（签名）：
耋蕉
翩（签孙晰阳
日期丝！！：！！：笪
注：此表经研究生及导师签名后，请装订在学位论文摘要前页。
武汉理工大学硕士学位论文
摘要
随着现代工业化进程的步伐加快，大量重金属离子随工业废水排放到自然 环境中，对人体健康造成了极大的危害。介孔材料由于具有较高的比表面积， 孔径和孔容以及较窄的孔径分布等优点，而成为理想的吸附材料。 本文以研究功能化的ＭＣＭ．４１吸附剂对Ｃｕ２＋、Ｚｎ２＋、Ｐｂ２＋、Ｃｒ３＋四种重金属 离子的吸附性能为目的，采用十六烷基三甲基溴化铵（ＣＴＡＢ）为模板剂，正硅酸 Ｚ，酯（ＴＥＯＳ）为硅源，在碱性条件下，通过溶胶．凝胶法制备了ＭＣＭ．４１介孔材料。 随后，分别以３．氨丙基－－７，氧基硅烷（ＡＰＴＥＳ）矛Ｉ ３．巯丙基三甲氧基硅烷（ＭＰＴＭＳ）
而孔径在250nm之间的则称为介孔材料广义上讲介孔材料包括介孔分子筛如m41s系列和sba系列柱撑层状粘土以及无机硅胶等由于介孔材料具备较高的比表面积均匀的和可连续调控的孔径孔道结构可从一维至三维方向变化且具有可调控的形貌如球状膜片及纤维状以及表面基团可有机功能化等许多优点使得它们在工业催化生物医药吸附分离纳米材料器件的制备以及环境保护等领域体现出巨大的应用前景
ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ＦＴＩＲ）．ＩＲ
ｏｎ
ｔｅｓｔ ｓｈｏｗ
ｔｈａｔ，ａｍｉｎｏ ｇｒｏｕｐ ａｎｄ ｍｅｒｃａｐｔｏ ｇｒｏｕｐ
ｗｅｒｅ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｌｏａｄｅｄ
ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆＭＣＭ－４１ ｍａｔｅｒｉａｌ ｂｙ ＣＯ－ｐｏｌｙｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ
ａｎｄ ｐｏｓｔ．ｇｒａｆｔｉｎｇ
吸附剂对Ｃｕ２＋、Ｐｂ２＋、Ｃ，吸附性能最好，吸附容量分别达到２１ ８．５６９ｍｏｌ・ｇ～、
２３４．１２９ｍｏｌ・ｇ－１、１７９．０７９ｍｏｌ・ｇ－１，相对于改性前的ＭＣＭ一４１，吸附性能分别提升 了１ ８４％、１２３％、７４％；而通过后嫁接法负载巯基的有机功能吸附剂对Ｚｎ２＋的吸 附性能最好，吸附容量为１３８．４６９ｍｏｌ・ｇ～，相对于改性前的ＭＣＭ一４１，吸附性能 提升了７８％。
ｃｕ２＋，Ｚｎ２＋，Ｐｂ”，ｃｒ３＋ｆｏｕｒ
ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ
ｉｏｎｓ，ＭＣＭ－４ １
ａｌｋａｌｉｎｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｉｎ ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗａｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｓｏｌ－ｇｅｌ ｍｅｔｈｏｄ ｕｎｄｅｒ ｗｈｉｃｈ ｃｅｔｙｌ ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ
分类号——
ＵＤＣ
密
级
！Ｑ垒窆２
学校代码
劣海理歹大穿
学
题
位
论
文
Ｅｌ丛ｇ丛：垒！盒王Ｌ挞料的剑备：查扭边宜量焦改：眭及吸附：眭研究
Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ
英文Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ，Ｏｒｇａｎｉｃ 题
目一Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ
ａｎｄ
ｏｆ ＭＣＭ－４ １
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ｏｆ ｍｅｒｃａｐｔｏ ｌｏａｄｅｄ
ｏｒｇａｎｉｃ
ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ａｄｓｏｒｂｅｎｔ ｂｙ ｇｒａｆｔｉｎｇ ｆｏｒ Ｚ∥＋ｉｓ
ｔｈｅ ｂｅｓｔ，ｔｈｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｙ ｒｅａｃｈｅｄ １ ３
８．４６１ｘｍｏｌ—ｇ－，ｗｈｉｃｈ
ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ
Ａｂｓｔｒａｃｔ……………………………………………………………………………………．……………………ＩＩ
第１章绪论…………………………………………………………………………．１
１．１
ＭＣＭ一４１介孔材料的制备和应用…………………………………………２
１．１．１ １．１．２
ＭＣＭ－４１介孔材料的制备…………………………………………２ ＭＣＭ－４１介孔材料的应用…………………………………………４
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（２５。Ｃ），ＭＣＭ－４ １ ｕｓｅｄ
ａｓ
ａｎｄ
ｉｔｓ
ｏｒｇａｎｉｃ
ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｅｒｅ
ａｄｓｏｒｂｅｎｔｓ，ｔｈｅ
ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｔｉｍｅ ｆｏｒ ｆｏｕｒ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ ｉｏｎｓ ｗａｓ