摘 要

本研究通过剥离天然辉钼矿制备二维纳米辉钼矿吸附剂，并考察了该吸附剂对水溶液中Pb(II)的吸附行为及吸附机理。AFM的测试结果表明，制备的二维辉钼矿纳米片大部分小于5个晶体层。吸附等温线和吸附动力学的实验结果表明，二维纳米辉钼矿对溶液中的Pb(II)具有很高的吸附效能，20分钟即达到吸附平衡，且最大吸附量高达1479mg/g。二维纳米辉钼矿对Pb(II)的吸附行为遵循Freundlich吸附等温线模型，同时符合准一级和准二级吸附动力学模型。XPS和Zeta电位结果表明二维纳米辉钼矿吸附Pb(II)同时包含了物理和化学吸附。化学吸附主要是二维辉钼矿表面的硫原子通过与Pb(II)之间的络合作用，将水体中的Pb(II)固定于吸附剂表面。物理吸附是因为表面荷负电的二维辉钼矿通过静电作用吸引荷正电的Pb(II)，从而达到去除水体中Pb(II)的作用。在这两种吸附机理中，Pb-S的络合作用被认为是这种二维材料可高效脱除Pb(II)的主要原因。这种新的吸附剂对选矿工业生产中的废水处理具有非常重要的意义。

关键词：二维纳米辉钼矿；铅的吸附；天然辉钼矿；矿物材料；硫铅络合作用

Abstract

The Pb(II) removal behavior and mechanism of two-dimensional (2D) molybdenite exfoliated from natural bulk molybdenite were investigated in this study. AFM results displayed that a majority of the 2D molybdenite nanosheets had less than five unit layers. The results of adsorption isotherm and adsorption kinetics showed that the 2D molybdenite had high adsorption efficiency (1479mg/g maximum adsorption capacity and 20 minutes equilibrium adsorption time) to remove Pb(II) from aqueous solution. The adsorption followed Freundlich isotherm model and fitted well with both the pseudo-first-order and pseudo-second-order kinetics models. XPS and Zeta potentials revealed that both physical and chemical adsorption occurred in the uptake of Pb (II) with 2D molybdenite as adsorbent. The chemical adsorption was mainly resulted from the complexation between Pb(II) and the sulfur atoms on the surface of 2D molybdenite, while the physical adsorption was due to the electrostatic interaction between negatively charged adsorbent and positively charged Pb(II). In these two adsorption mechanisms, the -S-Pb complexation was considered the main contributor that made 2D molybdenite a super Pb(II) adsorbent. This new adsorbent has great importance to the treatment of the wastewater in the production of the beneficiation industry.

Keywords: two-dimensional molybdenum disulfide, Pb(II) removal, natural molybdenite, mineral materials, sulfur and lead complexation

目 录

第一章 绪论 1

1.1 辉钼矿简介 1

1.1.1 辉钼矿的晶体结构 1

1.1.2 辉钼矿的性质及应用 1

1.1.3 辉钼矿的深加工 2

1.1.4 二维辉钼矿的结构特点及其应用 3

1.2 金属矿山选矿废水的危害与治理 3

1.3 研究的目的及意义 4

1.4 本文研究思路与研究方案 4

1.4.1 研究思路 4

1.4.2 研究方案 5

第二章 实验材料及设备 7

2.1 原材料和试剂 7

2.1.1 原料及其表征 7

2.1.2 实验试剂 8

2.1.3 仪器和设备 8

2.2 实验过程 9

2.2.1 二维辉钼矿的制备 9

2.2.2 吸附实验 10

2.2.3 相关测试制样与送样 11

第三章 结果与讨论 13

3.1 二维辉钼矿的表征 13

3.1.1 拉曼光谱分析 13

3.1.2 高分辨率投射电子显微镜分析 13

3.1.3 原子力显微镜分析 14

3.2 吸附动力学分析 15

3.3 吸附等温线分析 17

3.4 pH值对吸附效果的影响 20

3.5 二维辉钼矿吸附Pb(II)的机理分析 21

3.5.1 XPS分析 21

3.5.2 机理总结 22

结 论 24

参考文献 25

致 谢 29

第一章 绪论

1.1 辉钼矿简介

1.1.1 辉钼矿的晶体结构

辉钼矿属于硫化矿，化学成分为MoS₂。钼含量为59.94%, 是提炼钼的最主要矿物原料。通常以片状、鳞片状或细小分散粒状产出。辉钼矿呈铅灰色，强金属光泽。具有完全的底面解理。辉钼矿是一种典型的过渡金属层状化合物。它的晶体结构如图1.1所示，每层MoS₂由三层原子构成，中间一层为Mo原子，上下两层均为S原子，形成类“三明治”结构。层上Mo原子和S原子以较强的共价键结合，层与层之间通过较弱的范德华力结合，层间距约为0.3nm^[1]。

图1.1 辉钼矿的晶体结构

1.1.2 辉钼矿的性质及应用

辉钼矿存在着多型，其多型的出现与形成温度有关，温度由低到高依次形成非晶质MoS₂、胶体MoS₂、3R型MoS₂、2H型MoS₂，2H型的辉钼矿形成温度高于3R型的辉钼矿。辉钼矿的密度为4.7-4.8g/cm³，莫氏硬度为1.0-1.5，常温常压下不溶于硫酸、盐酸和强碱中，只能溶解于强酸性氧化体系（硝酸、王水）或强碱性氧化体系中，因此，辉钼矿的氧化分解较别的硫化矿物难度大些。辉钼矿在空气中加热到400-500^oC时才开始生成三氧化钼，在隔绝空气的条件下加热到1300-1350^oC，辉钼矿才部分离解，到1650-1700^oC开始熔化分解。辉钼矿是已知含铼最高的矿物，辉钼矿中的铼含量往往与辉钼矿中3R型含量及成矿溶液中的铼含量有关，铼与钼的离子半径相近，故铼经常置换钼而富集于辉钼矿中，成为铼的主要工业来源^[2]。