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研究生:李明霖
研究生(外文):Ming-Lin Lee
論文名稱:無機聚合物吸附重金屬之研究
論文名稱(外文):A Study on Heavy Metals Adsorption Using Geopolymer
指導教授:鄭大偉鄭大偉引用關係
口試委員:林凱隆柯明賢張裕煦
口試日期:2007-06-15
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:材料科學與工程研究所
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:132
中文關鍵詞:無機聚合物吸附重金屬
外文關鍵詞:GeopolymerAdsorptionHeavy metal
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多孔性固體常被用作吸附劑使用,利用其結構特性與廢水中之吸附質反應﹐以回收或去除污染物﹐使廢水達到淨化的效果。常用的吸附劑有活性碳及沸石等,而本研究是以無機聚合物作為吸附劑,探討其對重金屬之吸附特性。以變高嶺石與鹼性溶液依照特定配比均勻混合後,置於常溫下硬化成形為無機聚合物。經過破碎等預處理後,取一定粒徑範圍,分別針對重金屬溶液(Pb2+、Cu2+、Cr3+及Cd2+)進行吸附試驗,以不同操作變數探討無機聚合物對重金屬吸附之影響。研究結果顯示,無機聚合物具有吸附重金屬特性,在低濃度、高pH值及溫度條件下,可達到較高之去除率,其中尤以Pb2+之吸附效果最佳,實驗結果較符合Langmuir方程式。此外,無機聚合物之吸附能力會受到其製作配比而有所改變,提高SiO2/Al2O3及鹼性溶液SiO2/M2O莫耳比可增加其吸附效果,而溶解NaOH水量以70 mL製成無機聚合物之重金屬去除率較高。另一方面,改變變高嶺石焙燒溫度及持溫時間,亦會對重金屬吸附造成影響。因此,若配合適當的操作條件,將來可應用於廢水處理,為環境污染開創另一解決之道。
The porous material is often used as adsorbent, such as zeolite, silica gel, and clay. This research work is using geopolymer to treat heavy metals, discussing its adsorptive characteristics. Geopolymers were made from metakaolin, alkali solution and sodium silicate in certain wt% ratio. After cured in 25 ℃ oven, geopolymer was crushed and screened in order to obtain different particle size range to do the adsorption test for heavy metal individually. The experimental results show that geopolymer can adsorb heavy metals. With low initial concentration, high pH vaule, and high temperature, geopolymer can reach much higher removal efficiency, especially for Pb. Langmuir model has been employed to describe this experiment data. Various adsorption condition and different synthesis ways will change its adsorption capacity. Therefore, Geopolymer can be applied for waste water treatment in the future.
目錄
摘要 i
ABSTRACT ii
致謝 iii
目錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 前言 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 2
第二章 文獻回顧 3
2.1 無機聚合物 3
2.1.1結構組成 3
2.1.2 無機聚合物形成條件 7
2.1.3 無機聚合物之結構分析 12
2.1.4 無機聚合物之相關特性 16
2.1.5 無機聚合物之應用 22
2.1.6 無機聚合物與沸石之比較 24
2.2 重金屬之簡介 25
2.3 吸附原理 26
2.3.1 吸附熱力學 26
2.3.2 吸附現象 27
2.3.3 吸附動力學 31
2.3.4 等溫吸附曲線 32
2.3.5 吸附劑 34
2.3.6 影響吸附重金屬之因素 37
2.4 吸附重金屬之相關文獻 40
2.4.1 天然沸石 40
2.4.2 合成沸石 41
2.4.3. 廢棄物 42
2.4.4 黏土礦物 44
第三章 實驗方法及步驟 47
3.1 實驗材料 47
3.1.1 高嶺石 47
3.1.2 NaOH溶液 51
3.1.3 矽酸鈉溶液 51
3.1.4 重金屬標準溶液 51
3.2 實驗設備及分析儀器 52
3.3實驗方法及流程 53
3.3.1 研究流程 53
3.3.2 實驗方法 57
3.3.3 測定及分析方法 63
第四章 結果與討論 68
4.1 無機聚合物之基本性質 68
4.1.1 X光繞射分析 68
4.1.2 表面型態觀察 69
4.1.3 物理化學性質分析 69
4.2 批次吸附試驗 70
4.2.1 吸附動力學 70
4.2.2 等溫吸附曲線 73
4.2.3 初始pH值對無機聚合物吸附重金屬之影響 77
4.2.4 溫度對無機聚合物吸附重金屬之影響 82
4.2.5 多元系統對無機聚合物吸附重金屬之影響 84
4.2.6 批次吸附試驗之綜合討論 87
4.3 溶出試驗 88
4.3.1 水洗對重金屬離子溶出量之影響 88
4.3.2 酸洗對無機聚合物溶出重金屬之影響 90
4.3.3 溶出試驗之綜合討論 91
4.4不同製成條件對無機聚合物吸附效果之影響 92
4.4.1 SiO2/Al2O3莫耳比對無機聚合物吸附重金屬之影響 92
4.4.2 鹼性溶液種類及其SiO2/M2O莫耳比對無機聚合物吸附重金屬之影響 95
4.4.3 添加水量對無機聚合物吸附重金屬之影響 98
4.4.4 高嶺石熱處理對無機聚合物吸附之影響 101
4.4.5 不同製成條件對無機聚合物吸附效果之綜合討論 106
第五章 結論與建議 107
5.1 結論 107
5.2 建議 108
參考文獻 109
附錄A:NMR結構種類及位移峰值 115
附錄B:陽離子交換能力測定—醋酸鈉法 117
附錄C:參數對照資料 120
附錄D:吸附實驗數據 122
附錄E:吸附模式理論數據 130


表目錄

表2-1 無機聚合物之結構種類 4
表2-2 樣品於酸性條件下之重量變化 19
表2-3 沸石 v.s. 無機聚合物 24
表2-4 環保署所制定事業廢水放流標準及飲用水標準 25
表2-5 物理吸附與化學吸附之比較 28
表2-6 藥劑在顆粒表面的吸附情形 30
表2-7 吸附劑之表面極性及孔隙大小分佈 34
表2-8 沸石、矽膠和活性碳對直鏈羥選擇性吸附的實驗結果 34
表2-9 表面複合物模式之參數 46
表3-1 高嶺石及變高嶺石之化學組成 48
表3-2 高嶺石及變高嶺石之結構性質 50
表3-3 實驗儀器設備 52
表3-4 吸附平衡試驗之實驗條件 60
表3-5 競爭吸附試驗之操作條件 61
表4-1 擬二階動力學模式之速率參數 71
表4-2 各重金屬離子之半徑及水合能 71
表4-3 不同重金屬之Langmuir參數 74
表4-4 平衡參數(RL)與有利性吸附判定類型之關係 74
表4-5 不同重金屬之Freundlich常數 76


圖目錄

圖2-1 SiO4及AlO4四面體共用氧原子之示意圖 3
圖2-2 無機聚合作用之反應過程 4
圖2-3 R-PS結構示意圖 5
圖2-4 R-PSS及R-PSDS結構示意圖 5
圖2-5 無機聚合物之基本結構 6
圖2-6 高嶺石之結構單元 8
圖2-7 高嶺石及變高嶺石之結構模型 8
圖2-8 鹼性溶液中之矽酸鹽種類 10
圖2-9 變高嶺石之核磁共振光譜分析圖 12
圖2-10 無機聚合物隨養護時間增長其結構之變化情形 13
圖2-11 變高嶺石及無機聚合物的IR光譜分析圖 14
圖2-12 經60 ℃48小時硬化成無機聚合物之FTIR光譜圖 15
圖2-13 各種有機複合材料與無機聚合材料之耐火試驗情形 18
圖2-14 酸性環境所造成之陽離子交換情形 19
圖2-15 無機聚合物製成之裝飾品 23
圖2-16 物裡吸附與化學吸附的Lennard-Jones曲線 27
圖2-17 不同溫度範圍的主要吸附現象 29
圖2-18 骨架結構的基本單元 36
圖3-1 高嶺石及變高嶺石之XRD圖 48
圖3-2 (a)高嶺石及(b)變高嶺石之粒徑分佈圖 49
圖3-3 吸附試驗流程圖 54
圖3-4 溶出試驗流程圖 55
圖3-5 不同實驗條件對無機聚合物吸附影響之實驗流程 56
圖3-6 BET吸附理論模式圖 64
圖3-7 感應耦合電漿裝置 66
圖4-1 無機聚合物之X光繞射分析圖 68
圖4-2 無機聚合物之SEM圖 69
圖4-3 無機聚合物之吸附動力學曲線 72
圖4-6 Pb2+在水溶液中之分佈型態 80
圖4-7 Cu2+在水溶液中之分佈型態 80
圖4-8 Cr3+在水溶液中之分佈型態 81
圖4-9 Cd2+在水溶液中之分佈型態 81
圖4-10 溫度對重金屬吸附量之影響 83
圖4-12 二元系統中無機聚合物之重金屬選擇性 86
圖4-13 水洗對重金屬離子溶出量之情形(a)25 ℃(b)80 ℃ 89
圖4-14 SiO2/Al2O3莫耳比對無機聚合物黏度之影響 93
圖4-15 SiO2/Al2O3莫耳比對無機聚合物比表面積之影響 93
圖4-16 SiO2/Al2O3莫耳比對無機聚合物吸附重金屬之影響 94
圖4-17 SiO2/M2O莫耳比及鹼性溶液對無機聚合物黏度之影響 96
圖4-18 SiO2/M2O莫耳比及鹼性溶液對無機聚合物比表面積之影響 96
圖4-19 SiO2/M2O莫耳比及鹼性溶液對無機聚合物吸附之影響 97
圖4-20 水量對無機聚合物黏度之影響 99
圖4-21 水量對無機聚合物黏度之影響 99
圖4-22 添加水量對無機聚合物吸附重金屬之影響 100
圖4-23 高嶺石熱處理溫度對無機聚合物黏度之影響 102
圖4-24 高嶺石熱處理溫度對無機聚合物比表面積之影響 102
圖4-25 高嶺石熱處理溫度對無機聚合物吸附之影響 103
圖4-26 高嶺石焙燒時間對無機聚合物黏度之影響 104
圖4-27 高嶺石熱處理時間對無機聚合物吸附之影響 – 在未控制pH值 105
圖4-28 高嶺石熱處理時間對無機聚合物吸附之影響 – pH = 4 105
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