靳科研, 白璞, 李小龙, 张佳楠, 闫文付

高等学校化学学报 2022, 43 (2): 20210516-. DOI:10.7503/cjcu20210516

摘要（556）

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通过特定的焙烧过程制备了不含碳酸根的Mg-Al型层状双金属氧化物. 该层状双金属氧化物在废水中可水解为层状双金属氢氧化物, 从而能够通过四级串联吸附处理的方式将模拟核电厂含硼废水中的硼浓度由初始的2000 mg/L显著降低至10 mg/L, 满足内陆拟建核电厂需要将含硼废水硼浓度处理至30 mg/L以下的技术要求. 在pH=10.61, 固液比为1/40 g/mL, 吸附温度为20 ℃条件下, 吸附剂的硼吸附量可高达39.64 mg/g. 此外, 还在分子层次上讨论了中间氧化物的形成机理以及其水解生成层状双金属氢氧化物的机理, 探讨了核电厂高浓度含硼废水的pH值、初始硼浓度、吸附剂用量和搅拌时间等条件对吸附剂硼吸附性能的影响.

根据基本的化学反应原理, 对焙烧过程中的物种演化作了合理的化学推断, 并绘制出了中间氧化物可能的结构演化示意图（Scheme 2）. 可见, 在焙烧制备中间氧化物的过程中, 原料LDH层间原用以平衡骨架正电荷的CO₃2-会释放CO₂分子, 层间水分子也会脱出(A, B间的过程)[52], 分子式由[Mg₄Al₂(OH)₁₂]CO₃·3H₂O变为[Mg₄Al₂(OH)₁₂]2+O2-; 继续加热, CO₃2-释放CO₂后剩余的O2-会结合层板上的2个H, 然后以H₂O的形式脱出(B、 C间的过程), 分子式变为[Mg₄Al₂(OH)₁₀·O₂]. Sasaki等[53]对水滑石焙烧产物吸附含硼离子过程的研究表明, 相邻无机层板上的2个氢氧根会发生缩合反应, 脱除1个H₂O分子, 形成类似氧化镁(Mg₄O₄)的Mg-O-Mg金属桥氧结构(D₁). 但需要注意的是, 在脱除CO₃2-释放CO₂分子而剩余的O2-的过程中, 层板上的2个H会被一起脱掉, 而层板随之产生的2个Mg-O结构将无法进一步形成Mg-O-Mg结构, 因此中间氧化物的骨架中还应该包含类似D₂的结构(C, D间的过程). 最后产物的分子式为[Mg₄Al₂O₇].

图2（A）~（C）分别为原料Mg-Al LDH、焙烧后形成的中间氧化物以及硼吸附后吸附剂的SEM照片. 由图2（A）可见， Mg-Al 水滑石样品呈清晰的片状结构，样品呈六边形［55］，尺寸为1~3 μm［56］，外层边缘厚度约为30 nm. 图2（B）是高温灼烧后样品的SEM照片，可以看出样品形状残缺，部分片状结构分解为更小的片状结构. 图2（C）为饱和吸附硼阴离子后的Mg-Al LDH 的SEM照片，可以看到簇拥在一起的片状结构，表明将中间氧化物置入含硼溶液中后发生了水解反应，还原了Mg-Al-OH的层状结构. SEM形貌分析从一定程度上解释了Mg-Al LDH吸附硼阴离子的原理.