无机离子调控下复杂碳酸盐分级结构的合成、机理及铬污染处理研究
自然界中,碳酸盐常以生物或地质矿物的形式广泛存在.在生物学领域,碳酸盐生物矿物常具有精美的形貌和精巧的微观结构,在不同尺度都体现出自组装特性;生物组织可以利用这些生物矿物作为保护壳层、支撑骨骼、光感和重力感应器件等;在地矿领域,碳酸盐的有效沉积是地球平衡温室气体CO2的一种重要途径.同时,碳酸盐本身具有价格低廉、易形成复杂的分级结构,以及生物兼容性和可降解性优良等特性,被广泛的用作工业填充剂、药物载体、污染物处理试剂等.本文研究中,我们借助阳离子聚电解质诱导的结晶早期经历典型的液态前驱体矿化过程,并充分利用不同的协同碱土金属离子,合成多种具有非平衡态的超结构和图案,其中包含类"虫体"、螺旋状、铰链结构以及自组装空间周期图案.同时,我们还研究了无机离子对无定形前驱物成核、结晶的影响,合成了由纳米片构筑形成碳酸钡多孔结构.本文中,我们集中探讨聚合物及协同离子对非经典结晶过程的影响机制,侧重于形貌和微结构的控制原理等.本文的主要成果如下:1、我们借助聚阳离子电解质和多种离子协同调控合成"类生物形貌"的碳酸盐超结构,包括铰链状、螺旋状、虫状等形貌.过程调节剂-聚烯丙基氯化铵(PAH)可以诱导晶体的生长经历非经典的液态前驱物过程(PILP),而掺杂的碱土金属离子(Mg2+,Sr2+和Ba2+)可有效的调节液态相的不同性质,如稳定性、相转化和浸润性等."类生物形貌"超结构的生长受控于有掺杂量决定的最终物相和复杂的溶液微环境,如溶质浓度、pH值、立体空间等.研究内容包括(a)在镁离子掺杂体系中,可形成球霰石相和含镁方解石相,其对应合成大量的虫子状、螺旋状、铰链状超结构;(b)在钙-钡体系中,χBa<4.7%时,可形成大量球霰石相的片状结构;25%<χBa<47%时,可形成类虫状和螺旋状超结构;(c)在钙-锶体系中,4.7%<χSr<23%时,合成了大量球霰石相的虫子结构和螺旋体结构.借助液态前驱物和掺杂离子系统来合成"类生物形貌"晶体,提供一种合成具有新颖形貌仿生超结构的新方法.2、在液态前驱物矿化过中,合成了自组装立体矿物图案.利用PAH精确调控(Ca,Sr)CO3的矿化过程,通过聚阳离子电解质诱导液态前驱物矿化过程,自组装形成周期性碳酸盐立体图案.研究结果表明,利用液态相的性质可以在这种典型的反应扩散场中周期性沉积出立体环状结构图案.这种周期性动态图案是文石相构成,台阶的边缘是按竖直方向排列.实验显示,高锶含量在合适的本体溶液中有助于生成图案,这种自组装图案是由两个交替过程控制:形成新的液态相和在介稳中间体周围结晶两个过程.3、以PO43-为调控剂,采用化学方法合成了由纳米片状构筑的碳酸钡球多孔材料(nanosheet-structured BaCO3 spheres,NSBCs),并运用于去除水溶液中有毒重金属离子.时间跟踪实验显示NSBCs结构生长过程受控于自由的磷酸根离子,生长过程经历:无定形碳酸钡相-不完美片状晶体生成-取向搭接纳米片状晶体.将生成的NSBCs应用于吸附六价铬实验,取得了很好的成效.NSBCs能在60min内快速吸附Cr(VI),且最大的吸附容量达到227mg·g-1.通过系列吸附试验结果表明其吸附动力学符合伪二级模型,吸附热力学符合Lagmuir吸附模型.研究结果表明,NSBCs快速去除铬的能力具有水处理潜在利用价值,这种处理工艺也可以作为铬资源回收的一种潜在利用手段.
- 作者：
- 苏义平
- 学位授予单位：
- 安徽工业大学
- 专业名称：
- 环境科学与工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2017年
- 导师姓名：
- 朱建华
- 中图分类号：
- X505；TQ127.13；O647.3
- 关键词：
- 无机离子；碳酸盐分级结构；非经典结晶过程；协同调控；铬(VI)去除
- Inorganic Ions； Carbonate Hierarchical Structures； Non-classical Crystallization Pathway； Synergistic Effects； Cr(VI) Removal