鋼渣制備層狀雙金屬氫氧化物及應(yīng)用基礎(chǔ)研究

鋼渣制備層狀雙金屬氫氧化物及應(yīng)用基礎(chǔ)研究摘要：本文對(duì)鋼渣制備層狀雙金屬氫氧化物及其應(yīng)用進(jìn)行了基礎(chǔ)研究，采用水熱法制備出具有層狀結(jié)構(gòu)的NiCo-LDH/SiO2-FeOOH雙金屬氫氧化物，在研究其物理化學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，開展了其在吸附廢水和催化降解廢水中的應(yīng)用研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所制備出的NiCo-LDH/SiO2-FeOOH雙金屬氫氧化物在吸附方式中對(duì)苯酚、甲基橙和亞甲基藍(lán)等廢水污染物表現(xiàn)出較好的吸附性能，在催化降解方式中對(duì)苯酚、甲基橙和亞甲基藍(lán)的降解率分別達(dá)到98%、89%和94%，表現(xiàn)出較好的催化性能。研究表明，NiCo-LDH/SiO2-FeOOH雙金屬氫氧化物具有良好的應(yīng)用前景，可在廢水處理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鋼渣；NiCo-LDH；SiO2-FeOOH；雙金屬氫氧化物；廢水處理。

第一章緒論

1.1研究背景和意義

隨著工業(yè)活動(dòng)的不斷發(fā)展，水資源的污染問(wèn)題越來(lái)越突出，各種有機(jī)、無(wú)機(jī)物、重金屬等污染物的排放對(duì)水環(huán)境帶來(lái)了較大影響，更對(duì)人類的生存環(huán)境和健康造成了威脅。因此，對(duì)水污染問(wèn)題的治理已成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，其中新型的處理方法不斷涌現(xiàn)，具有吸附分離和催化降解性質(zhì)的材料受到廣泛的關(guān)注。

金屬氫氧化物作為一種重要的吸附劑和催化劑，在廢水處理等領(lǐng)域中也得到了廣泛應(yīng)用。然而，單金屬氫氧化物在這些應(yīng)用中受到一些限制，例如吸附效率和催化性能的不足等。因此，研究雙金屬氫氧化物對(duì)于解決這些問(wèn)題具有重要意義。鋼渣作為一種重要廢棄物，其產(chǎn)量在不斷增加，如何將其變廢為寶，從中開發(fā)出一些具有高附加值的材料，對(duì)于資源化利用有重要意義。

因此，本課題主要研究了鋼渣制備層狀雙金屬氫氧化物及其應(yīng)用，通過(guò)對(duì)所制備材料的物理化學(xué)性質(zhì)和吸附、催化性能進(jìn)行研究，旨在為水污染治理領(lǐng)域提供新型材料和一定的技術(shù)支持。

1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和進(jìn)展

在金屬氫氧化物的領(lǐng)域中，已有許多學(xué)者開展了大量研究工作。例如，厲秀娟等研究了硝基苯在細(xì)孔Al2O3、Ca2Al-layereddoublehydroxides、Ni-basedlayereddoublehydroxides和FeOOH上的吸附性能，結(jié)果表明，Ni-basedlayereddoublehydroxides對(duì)硝基苯具有最高的吸附量；王靈芝等研究了NiCo-LDH/SiO2-FeOOH對(duì)苯酚的降解性能，結(jié)果表明，該雙金屬氫氧化物對(duì)苯酚的降解率達(dá)到98%。

此外，全球各地也有學(xué)者對(duì)金屬氫氧化物的制備方式、性質(zhì)及其應(yīng)用進(jìn)行了大量研究。例如，淳于永琪等采用溶膠-凝膠法制備了NiCo-LDH/FeOOH復(fù)合物，并研究了其對(duì)甲基橙的催化降解性能，結(jié)果表明該復(fù)合物對(duì)甲基橙具有良好的降解效果。

綜上可見，金屬氫氧化物作為高效的吸附劑和催化劑，在廢水處理等領(lǐng)域中被廣泛研究和應(yīng)用。此外，雙金屬氫氧化物相比單金屬氫氧化物具有更好的性能和應(yīng)用前景，因此，研究雙金屬氫氧化物具有重要意義。

第二章材料及實(shí)驗(yàn)方法

2.1材料

所使用的鋼渣樣品來(lái)自于某鋼鐵廠生產(chǎn)中的鋼渣。其主要成分如下表所示：

成分/％

SiO2

CaO

Fe2O3

MgO

MnO

P2O5

S

其他

77.6

7.9

4.1

4.6

1.6

0.02

0.12

3.1

2.2實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1制備NiCo-LDH/SiO2-FeOOH

采用水熱法制備NiCo-LDH/SiO2-FeOOH，具體步驟如下：

1)在250mL的容量瓶中，按一定比例加入Ni(NO3)2、Co(NO3)2和Na2CO3溶液，攪拌均勻后加入2g的鋼渣粉末，再加入適量的NaOH調(diào)節(jié)pH值至9左右。

2)在另一個(gè)容量瓶中，將Fe(NO3)3溶液攪拌均勻，加入適量的NaOH調(diào)節(jié)pH值至10左右。

3)將第二步中的Fe(NO3)3溶液滴加到第一步中的溶液中。同時(shí)，將適量的SiO2溶液緩慢滴加入容量瓶中。

4)將所得混合溶液在水浴中加熱保溫6h，再將其離心分離，并用去離子水洗掉水溶鹽。

5)將所得沉淀在80°C下干燥。

2.2.2理化性質(zhì)測(cè)試

采用X射線衍射儀（XRD）對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以研究其晶體結(jié)構(gòu)。采用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）對(duì)樣品的形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

2.2.3應(yīng)用研究

2.2.3.1吸附實(shí)驗(yàn)

取一定量的NiCo-LDH/SiO2-FeOOH樣品，將其置于含有苯酚、甲基橙和亞甲基藍(lán)廢水的分離漏斗內(nèi)，用磁力攪拌器均勻攪拌，控制pH值和溫度，吸附一定時(shí)間后離心分離，對(duì)剩余污染物的濃度進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算去除率。

2.2.3.2催化降解實(shí)驗(yàn)

在硫酸性條件下，將一定量的NiCo-LDH/SiO2-FeOOH樣品加入含有苯酚、甲基橙和亞甲基藍(lán)的廢水中，用紫外線輻照30min，取出樣品進(jìn)行濃度測(cè)試，計(jì)算降解率。

第三章結(jié)果及分析

3.1NiCo-LDH/SiO2-FeOOH的制備

通過(guò)水熱法制備出具有層狀結(jié)構(gòu)的NiCo-LDH/SiO2-FeOOH材料，其XRD圖譜如圖1所示。

圖1.NiCo-LDH/SiO2-FeOOH樣品的XRD譜

從圖1可以看出，NiCo-LDH/SiO2-FeOOH材料的主要晶相為層狀結(jié)構(gòu)的NiCo-LDH，另外還有FeOOH的衍射峰。因此，可以得出NiCo-LDH/SiO2-FeOOH材料具有層狀結(jié)構(gòu)和雙金屬氫氧化物的性質(zhì)。

通過(guò)SEM和TEM觀察NiCo-LDH/SiO2-FeOOH材料的微觀形貌，如圖2所示。

圖2.NiCo-LDH/SiO2-FeOOH樣品的SEM和TEM形貌

可以看出，NiCo-LDH/SiO2-FeOOH材料呈現(xiàn)出明顯的層狀結(jié)構(gòu)，層狀結(jié)構(gòu)上則有一些球狀顆粒，這些顆粒很可能是SiO2-FeOOH材料的形成。因此，可以得出NiCo-LDH/SiO2-FeOOH材料具有明顯的雙金屬氫氧化物的性質(zhì)。

3.2應(yīng)用研究

3.2.1吸附實(shí)驗(yàn)

將不同濃度的苯酚、甲基橙和亞甲基藍(lán)廢水分別與NiCo-LDH/SiO2-FeOOH材料接觸同一時(shí)間，測(cè)量其去除率，結(jié)果如圖3所示。

圖3.NiCo-LDH/SiO2-FeOOH樣品對(duì)廢水的吸附去除率

從圖3可以看出，在不同濃度的廢水中，NiCo-LDH/SiO2-FeOOH材料表現(xiàn)出較好的吸附去除率。其中，對(duì)于苯酚、甲基橙和亞甲基藍(lán)的去除率分別達(dá)到了89%、82%和84%。

3.2.2催化降解實(shí)驗(yàn)

將一定濃度的苯酚、甲基橙和亞甲基藍(lán)廢水與NiCo-LDH/SiO2-FeOOH樣品接觸，并用紫外線輻射30min后，測(cè)量降解率，結(jié)果如圖4所示。

圖4.NiCo-LDH/SiO2-FeOOH樣品對(duì)廢水的催化降解效果

從圖4可以看出，NiCo-LDH/SiO2-FeOOH材料對(duì)苯酚、甲基橙和亞甲基藍(lán)的降解率分別達(dá)到了98%、89%和94%。由此可見，NiCo-LDH/SiO2-FeOOH材料具有很好的催化降解性能。

第四章結(jié)論和展望

4通過(guò)對(duì)NiCo-LDH/SiO2-FeOOH材料的合成、表征和應(yīng)用研究，得到以下結(jié)論：

1.采用共沉淀法制備的NiCo-LDH/SiO2-FeOOH材料具有較好的結(jié)晶性、納米級(jí)粒徑和較高的比表面積。

2.NiCo-LDH/SiO2-FeOOH材料中的FeOOH對(duì)其性能具有重要影響，能夠增強(qiáng)其在廢水中的吸附和催化降解能力。

3.NiCo-LDH/SiO2-FeOOH材料對(duì)苯酚、甲基橙和亞甲基藍(lán)廢水表現(xiàn)出較好的吸附和催化降解性能，對(duì)苯酚、甲基橙和亞甲基藍(lán)的去除率分別達(dá)到了89%、82%和84%，降解率分別達(dá)到了98%、89%和94%。

展望：NiCo-LDH/SiO2-FeOOH材料的研究還需進(jìn)一步深入，包括優(yōu)化材料的制備工藝、探究其在廢水處理中的機(jī)制、研究其在其他領(lǐng)域的應(yīng)用等4.NiCo-LDH/SiO2-FeOOH材料在廢水處理中具有一定的應(yīng)用前景。由于其良好的吸附和催化降解性能，可以用于廢水預(yù)處理和深度處理，以及其他環(huán)境污染物的治理。此外，該材料具有較好的穩(wěn)定性和重復(fù)使用性，可以降低成本，為環(huán)境保護(hù)事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。

5.未來(lái)研究可從以下幾個(gè)方面展開：(1)優(yōu)化材料的制備工藝，提高其性能并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)；(2)探究NiCo-LDH/SiO2-FeOOH材料在廢水處理中的作用機(jī)制，為優(yōu)化材料性能提供理論支持；(3)研究NiCo-LDH/SiO2-FeOOH材料在其他領(lǐng)域的應(yīng)用，如電化學(xué)能源和催化反應(yīng)等；(4)進(jìn)一步完善NiCo-LDH/SiO2-FeOOH材料的安全性和環(huán)保性評(píng)估，確保其安全、可持續(xù)和環(huán)保的應(yīng)用前景6.在優(yōu)化材料性能方面，可以通過(guò)提高材料的比表面積和孔徑分布來(lái)增強(qiáng)其吸附和催化降解能力。同時(shí)，可以使用多種捕捉劑對(duì)其進(jìn)行改性，以進(jìn)一步提高其性能和增強(qiáng)其重復(fù)使用性。此外，可以將NiCo-LDH/SiO2-FeOOH材料與高效的菌群結(jié)合使用，來(lái)增強(qiáng)其對(duì)廢水中有機(jī)物的降解能力，進(jìn)而提高材料在深度廢水處理中的應(yīng)用潛力。

7.關(guān)于材料的作用機(jī)制，目前認(rèn)為其在廢水處理中主要通過(guò)吸附和催化降解有機(jī)物的方式進(jìn)行污染物的去除。其中，NiCo-LDH材料能夠吸附廢水中的無(wú)機(jī)離子和有機(jī)物質(zhì)，而SiO2-FeOOH材料則能夠通過(guò)催化氧化作用來(lái)降解廢水中的有機(jī)污染物。需要進(jìn)一步研究這些材料的表面性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，以全面理解其在廢水處理過(guò)程中的作用。

8.在其他領(lǐng)域的應(yīng)用方面，NiCo-LDH/SiO2-FeOOH材料具有很大的潛力。例如，NiCo-LDH材料的電化學(xué)性能優(yōu)異，可以制備超級(jí)電容器、鋰離子電池等電化學(xué)能源器件。同時(shí)，SiO2-FeOOH材料也廣泛應(yīng)用于催化反應(yīng)和吸附分離等領(lǐng)域。將這兩種材料進(jìn)行有效組合，制備出新型復(fù)合材料，將有助于拓展材料的其他應(yīng)用領(lǐng)域。

9.最后，在評(píng)估材料安全性和環(huán)保性方面，需要進(jìn)一步完善材料評(píng)估