层状双氢氧化物复合材料在生物法水处理应用

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1、层状双氢氧化物复合材料在生物法水处理应用第1章绪论1.1课题背景水资源地球上一种有限的、珍贵的自然资源，是人类赖以生存的生命源泉。然而，伴随着经济的飞速增长和人口的持续膨胀,带来了严重的水污染问题,加剧了水资源的危机,给社会和人民群众带来了极大的损失。我国的水资源总量丰富而人均占有量较低，而且有约30%的水资源因为被某些生物或化学有毒、有害物质污染而不能被加以利用。水质遭污染主要是源自工业废水、生活污水和农业污水等，按污染成分的性质不同一般分为物理、化学和生物污染三大类。在我国，据环境保护部门监测，几乎接近八成的大城市水资

2、源污染较严重，另外，过半的城镇水资源也不符合饮用标准。水污染问题的严重性逐渐升级，成为威胁人类生存和健康的瓶颈。面对严峻的水污染问题，为了人类可持续的生存和发展，爱护水资源环境，保护水资源、控制水污染成为我国当今时代亟需解决的问题之一。水治污就是利用某些物理、化学以及生物方法和技术分离或分解污水中的污染物，使污水得到净化的过程。对于污水处理的方法，国内外科研工进行了大量研究[1,2]。物理法(例如重力、离心分离法以及滤筛截留法)是通过物理作用分离、回收污水中难溶解的污染物。化学法则是通过一些化学反应来处理废水、污水中呈溶解

3、或胶体状态物质。生物法所用的原理是微生物的新陈代谢作用。此法多用于处理污水中复杂的有机污染物以及致病菌等。根据使用的微生物种类不同，可以分为好氧法、厌氧法和生物酶法等。..1.2纳米材料LDH的概述纳米材料是指将颗粒尺寸处于1-100nm之间的超微粒物质经压制、煅烧或溅射而形成的凝聚态固体，被视为新世纪最有前途的材料。近年来，随着人们对新型材料研究的深入，复合材料日益成为纳米材料领域的研究热点。纳米复合材料(nanoposites)是指由两种或两种以上不同的物质，其中至少有一种是纳米级材料(如纳米晶粒、薄膜或纤维)，以微观

4、或宏观的形式复合而成的多相固体纳米材料。纳米复合材料一般同时兼具其组成成分的性能，而且由于协同效应或其它作用，还可能使得复合材料具有原组分所不具备的特殊性能和功能。层状双氢氧化物(Layereddoublehydroxide，LDH)，俗称水滑石，是由带正电荷的金属阳离子主板层和带负电荷的阴离子构成的一种层状粘土化合物[4]，具有易于调节的强度、理化和光电性质，在材料研究领域占有重要的地位。它的典型结构特征是厚度为纳米级的二维层板，纵向有序地重叠排列成三维晶体结构。其化学式可表示为:MOHAmHOxnnx1xx2/2MⅡⅢ

5、，其中ⅡM为Mg2+、Ni2+、Fe2+、Co2+、Mn2+等二价阳离子，ⅢM为Al3+、Fe3+、Ti4+等三价阳离子，nA为层间阴离子，m为层间的水分子数。水滑石最早是在1842年由瑞典的Circa发现的，但是直到一个世纪之后，Feitknecht等[5]才利用金属盐和碱金属氢氧化物首次人工合成出了LDH，大胆地设想了LDH的双层结构模型。1969年，Allmann等[6]率先通过测定其单晶结构确认了它的层状结构的存在。后来，Miyata和Talor等人[7,8]深入地研究了LDH的结构特征，并探索了其作为新型催化材料

6、的应用，他们研究发现LDH具有良好的催化剂性能，并可以做催化剂载体。第2章LDH/溶菌酶纳米复合物的制备及除菌研究2.1前言层状双氢氧化物是一种阴离子型粘土[27]，由带正电荷的金属阳离子和带负电荷的阴离子构成其层状结构，其结构如图2.1所示。每个结构单元中，同时有二价和三价金属阳离子，金属层板带正电，带负电的层间阴离子和水分子靠范德华力和静电作用插入层间来平衡电荷[28]，即LDH为无机层板与层间分子相互交替堆积[29]而成的层状化合物。LDH的层间结构的调控，可以通过插层客体的尺寸、形状以及空间取向来实现。在一定条件下

7、，层间离子与反应体系中的异种离子或分子可发生交换反应，反应模式如图2.2所示。由于制备方法、反应条件、客体尺寸以及对称性的不同，插层客体在层间的排列方式分为倾斜、平行和垂直3种典型方式。当新的客体物质插入LDH层间后，形成了新的衍生物，被称为插层LDH。层状双氢氧化物这种特殊的层状结构，使其表现出独特的性能，典型的性质显示为较高的表面吸附性能，酸碱催化活性以及层间阴离子的可交换性。层板有序的排列方式导致了孔隙结构的存在，因此，大量的活性中心便会分布在层板表面，使其表现出优异的吸附性能。层板还具有一定的羟基基团，在不同的反应

8、环境中能够表现出酸性或碱性的催化活性。另外，层间的阴离子与层板的金属阳离子之间以静电作用、氢键等弱分子相互作用结合，通常在动态过程中，这种结构仍然能够得以维系，因此层间阴离子可发生离子的交换。..2.2实验材料与仪器通过共沉淀法[40]制备MgAl-LDH。称取0.06molMg(NO3)2•