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题名: 原位红外光谱研究含氧离子氧化物微界面吸附过程与机理
作者: 杨晓芳
学位类别: 博士
答辩日期: 2010
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
导师: 孙中溪 ; 汤鸿霄 ; 王东升
关键词: 环境微界面 ; 吸附 ; 原位ATR-FTIR ; 金属氧化物
中文摘要:       污染物在天然颗粒物微界面上的吸附与解吸过程是污染物环境行为中最为重要的过程之一,决定着污染物在环境中的迁移转化和循环归宿。铝、铁氧化物是土壤、沉积物等天然颗粒物中的重要矿物组分,也是污染控制技术中常用的吸附剂、催化剂、无机絮体和滤料填料。因此了解发生在这些氧化物微界面上的吸附解吸过程和机制,为改进环境管理和污染控制技术提供重要的理论支持。本文主要研究了磷酸盐离子、硅酸盐离子和含羧基有机物及邻苯二酚在铝、铁氧化物微界面上的吸附机理,并使用流动池ATR-FTIR技术对吸附-解吸过程进行原位在线观测。根据光谱证据推断可能形成的表面吸附形态构型和获得直接的动力学信息,以期由宏观到微观逐步深入认识微界面吸附的反应机制。 不同水合程度和晶型结构的铝氧化物的表面酸碱特性和磷酸盐离子吸附特性存在差异。表面羟基的质子酸性强弱大致顺序为α -Al2O3 > γ-AlOOH > γ-Al(OH)3 > γ-Al2O3,表面羟基质子活性吸附位密度为:γ-AlOOH > γ-Al2O3 > γ-Al(OH)3 > α -Al2O3,而对磷酸盐离子的表面吸附密度大小为γ-Al2O3> α-Al2O3 > γ-AlOOH > γ-Al(OH)3。选定两种吸附容量较高的铝氧化物进行原位红外光谱分析,证实了反应pH对吸附量和吸附形态构型的影响。在高pH时形成的磷酸表面络合物以单齿单核形态为主,随着pH降低表面上形成了质子化的单齿单核形态,并同时可能形成新的双齿双核的表面络合物。在较高pH(pH 9.0)时吸附较快到达平衡,而在酸性pH条件下则需要更长的时间使反应趋于稳定。 ATR红外光谱证据表明硅酸盐离子溶液浓度和pH对其在铁氧化物表面上的吸附都具有影响。在高pH(pH > 9.5)或低硅酸钠浓度(< 0.1 mM)时,硅酸盐离子主要通过配体交换反应在铁氧化物表面上形成双齿单聚体表面络合物。降低pH或增大溶液浓度,硅酸离子在表面缩聚形成低聚体吸附形态。如果表面硅酸形态的缩聚反应得以继续,在铁氧化物表面上甚至可以形成类似二氧化硅的三维结构。吸持到表面上的聚合硅酸比单聚体形态具有更强的表面亲和力,不易被解吸。此外,硅酸离子在Fe3O4和g-Fe2O3上吸附的作用机理类似,但Fe3O4由于具有更高的表面位密度而比g-Fe2O3具有更高硅酸离子吸附容量。 丁二酸盐和天然腐殖酸在铝、铁氧化物上的吸附量随pH降低而升高(pH 4~9)。丁二酸盐离子在表面上形成的吸附形态可能以外层络合物为主,有少量内层络合物形成,因而很容易为强吸附配体如磷酸盐离子和硅酸盐离子取代或抑制吸附。天然腐殖酸则在铝、铁氧化物上发生强烈地吸附,红外证据指向通过羧基形成内层络合物,形成的络合物不易被磷酸盐离子取代解吸。 此外光谱证据表明邻苯二酚可吸附在Fe3O4表面上,吸附量在pH 4~9范围内随pH升高而升高,在表面上经配体交换形成主要为双齿螯合构型的内层络合物。磷酸盐离子可以与邻苯二酚竞争表面位,抑制邻苯二酚在Fe3O4上的吸附。非均相Fenton反应产生的中间产物可能为羧酸盐和聚合邻苯二酚形态。在氧化反应进行3~4个小时以后,仍可在光谱中观察到吸附的邻苯二酚形态的特征峰,因此推测氧化吸附到表面上的邻苯二酚可能不是主要的反应路径。
英文摘要:       The adsorption-desorption of contaminants or pollutants at the micro-interfaces of natural particles is one of the most important environmental reactions which determined the transfer and fate of contaminants and pollutants in the environment. Al- and Fe-oxides are the most common mineral constituents in soil and sediments, as well as the most widely used adsorbents, catalysts, flocs and filter or filling materials in the pollution control treatments. Understanding the process and mechanisms of the adsorption reactions occurred on these Al- and Fe-oxides is of great importance. Therefore, in the present thesis work the adsorption-desorption of phosphate, silicate, carboxylates and catechol at the micro-interface of Al- and Fe-oxides were investigated. Flow-cell ATR-FTIR technique was used to monitor the reaction in situ. Based on the infrared spectra analysis, the configuration of formed surface complexes could be deduced to reveal the micro-reaction mechanism.
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/35062
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原位红外光谱研究含氧离子氧化物微界面吸附过程与机理.pdf(5135KB)学位论文--限制开放 联系获取全文

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杨晓芳. 原位红外光谱研究含氧离子氧化物微界面吸附过程与机理[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2010.
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