磷掺杂氮化硼气凝胶制备及其重金属离子吸附特性研究

创新点

氮化硼基吸附剂因比表面积大、结构缺陷众多、热稳定性优异和官能团丰富等特征，广泛应用于重金属去除。然而氮化硼主要为粉末状，使用不便且制备成本较高，气凝胶形式的氮化硼吸附剂借助气凝胶的低密度及分散体系提高接触效率，同时因其固体可控结构使得应用场景更为广泛，间接降低使用成本。本研究使用溶胶-凝胶法和低维BN组装法分别制备氮化硼气凝胶（BN_aerogel)和磷掺杂氮化硼气凝胶（P-BN_aerogel)，分析其理化特性，并进行液相重金属吸附试验，探究BN_aerogel和P-BN_aerogel对Zn²⁺、Cu²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺四种典型重金属的吸附性能。两种气凝胶的最佳吸附温度均为25℃；与BN_aerogel相比，P-BN_aerogel的吸附速率提高了13.0%，对Cu²⁺的吸附能力提升了14.4%；P-BN_aerogel对Zn²⁺、Cu²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺的最大吸附量分别为338.5、413.3、253.9和234.8mg/g，其吸附过程以化学吸附主导，同时具备物理吸附的表面单层吸附特性；在混合重金属溶液中，BN_aerogel和P-BN_aerogel对于Cu²⁺的去除效率最高，且P-BN_aerogel对Cu²⁺具有一定的选择吸附性。

通讯作者简介

李彦龙教授

李彦龙，教授，硕士生导师，博士毕业于大连理工大学。现任沈阳航空航天大学能源与环境学院院长。

主要致力于生活垃圾、市政污泥等固体废物的无害化处理处置与资源化利用研究。主持国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划子课题和辽宁省自然科学基金等项目10余项；发表高水平期刊论文36篇，其中中科院TOP期刊论文10篇；授权国家发明专利11件；获得中国产学研合作创新成果一等奖1项、辽宁省科技进步二等奖2项、辽宁省技术发明三等奖1项。

兼任辽宁省可再生能源学会副秘书长、辽河流域污泥处理及资源能源化联盟秘书长、联合国巴塞尔公约亚太区域中心智库专家。

磷掺杂氮化硼气凝胶制备及其重金属离子吸附特性研究

作者

张峻中，刘铮，刘博，李彦龙^∗

单位

沈阳航空航天大学能源与环境学院

基金项目

国家自然科学基金资助项目（52376121）

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摘要

基于溶胶-凝胶法和低维氮化硼（BN）组装法，成功制备了氮化硼气凝胶(BN_aerogel)和磷掺杂氮化硼气凝胶(P-BN_aerogel)，并将其应用于废水中重金属离子的处理。研究结果表明：P-BN_aerogel具有较大的比表面积（465.4m²/g），引入P后，P-BN_aerogel表面新增了P—O—C和P—O基团，使重金属离子能够与吸附剂更稳定地结合。两种气凝胶的最佳吸附温度均为25℃；与BN_aerogel相比，P-BN_aerogel的吸附速率提高了13.0%，对Cu²⁺的吸附能力提升了14.4%；P-BN_aerogel对Zn²⁺、Cu²⁺、Cd²⁺和Pb²⁺的最大吸附量分别为338.5、413.3、253.9和234.8mg/g，其吸附过程以化学吸附主导，同时具备物理吸附的表面单层吸附特性；在混合重金属溶液中，BN_aerogel和P-BN_aerogel对于Cu²⁺的去除效率最高，且P-BN_aerogel对Cu²⁺具有一定的选择吸附性。得益于P掺杂提供稳定的配位环境和更多的吸附位点，P-BN_aerogel对各重金属的去除率均高于BN_aerogel。此外，P-BN_aerogel具有超轻密度和可控结构的特点，使其应用范围更加广泛，更具经济优势。

研究背景

重金属具有毒性、持久性和生物累积性，是众所周知的环境污染物。水体中的重金属污染物严重降低了水资源质量，对环境和公众健康造成严重危害。氮化硼基吸附剂因比表面积大、结构缺陷众多、热稳定性优异和官能团丰富等特征，广泛应用于能量储存、气体吸附和重金属去除等。氮化硼除了具有大量缺陷的BN多孔结构外，还具有“单边”密度特征的π键，以此成为吸附污染物的候选材料。氮化硼基吸附剂与活性炭、壳聚糖和碳纳米管等大多数吸附剂相比吸附能力更好。LIU等制备了比表面积高达696m²/g的氮化硼纳米片（BNNSs)，其对Pb吸附容量为845mg/g。WANG等研究表明，多孔氮化硼纳米棒具有高比表面积和高孔隙率，对Cu具有良好的吸附能力。有研究表明氮化硼基吸附剂对重金属的吸附存在多种吸附机理，例如—NH₂与重金属形成络合物、—O—与金属离子发生静电相互作用及H—OH与金属离子之间的离子交换行为。LI等总结了磷改性生物炭（P-BC）的合成方法及吸附机理，发现生物炭经P改性后对Cd²⁺的吸附量提高近10倍，LI等认为P提供了额外的重金属钝化固定作用从而提高氮化硼吸附性能。

氮化硼主要为粉末状，使用不便且制备成本较高，气凝胶形式的氮化硼吸附剂借助气凝胶的低密度及分散体系提高接触效率，同时因其固体可控结构使得应用场景更为广泛，间接降低使用成本。本研究使用溶胶-凝胶法和低维BN组装法分别制备氮化硼气凝胶（BN_aerogel)和磷掺杂氮化硼气凝胶（P-BN_aerogel)，分析其理化特性，并进行液相重金属吸附试验，探究BN_aerogel和P-BN_aerogel对Zn²⁺、Cu²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺4种典型重金属的吸附性能。

部分图片

图1 BN_aerogel和P-BN_aerogel的外貌形态和SEM图

图2 BN_aerogel和P-BN_aerogel的吸附脱附等温线和孔径分布图

图3 混合重金属的吸附效率

引文格式

张峻中, 刘铮, 刘博, 李彦龙. 磷掺杂氮化硼气凝胶制备及其重金属离子吸附特性研究[J/OL].能源环境保护: 1-9[2024-08-01].https://doi.org/10.20078/j.eep.20240713.

ZHANG Junzhong, LIU Zheng, LIU Bo, LI Yanlong. Preparation of phosphorus-doped boron nitride aerogel and its heavy metal ion adsorption properties[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-9[2024-08-01].https://doi.org/10.20078/j.eep.20240713.

　　责任编辑：宫在芹

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