煅烧黄铁矿结构演化及其净化水中砷的作用和机理

发布时间：2018-11-09 13:16

【摘要】：黄铁矿是自然界中分布最广泛的一种硫化物矿物,暴露在空气中容易发生表面氧化,导致酸性矿山废水(AMD)的排放,同时释放出其中的一些重金属元素,如Cu、As、Zn等,造成重金属污染。而天然黄铁矿由于其表面活性、晶体结构和物理性质的原因,在治理水体方面又有广泛的应用。而砷是一种有毒物质,长期暴露于含砷环境中对人体健康危害很大。目前已有的硫化物除砷方面的研究主要是用天然黄铁矿,或者合成的FeS作为吸附剂。而天然黄铁矿在去除水中的砷方面还存在比表面积小、表面活性低的问题；合成的纳米FeS则存在稳定性差、制备成本高、使用过程中分离困难的问题。目前,前人对黄铁矿的热分解进行了一系列研究,发现黄铁矿在惰性气氛下高温煅烧可以转换为比表面积更大,反应活性更强的磁黄铁矿,对水中金属离子的去除性能更加优异。为此,本文研究了氮气保护气氛下黄铁矿样品进行高温煅烧,采用差热-热重分析、X射线衍射、场发射扫描电镜、磁化率等现代测试技术对煅烧黄铁矿产物进行表征分析,详细研究了保护气氛下煅烧黄铁矿的结构演化；然后以此煅烧产物作为吸附剂,对水中低浓度三价砷和五价砷的去除进行了系统的研究,阐述了煅烧黄铁矿对三价砷和五价砷的吸附机理及反应机制。以下为本论文取得的主要创新成果：1、在氮气气氛下黄铁矿的热分解过程为：黄铁矿→单斜磁黄铁矿→六方磁黄铁矿→陨硫铁,600℃为单斜磁黄铁矿最佳转换温度,700℃为六方磁黄铁矿最佳转换温度。不同磁黄铁矿的转换温度的不同对铁硫化物矿物的成因和转换具有重要的指示意义。2、黄铁矿→单斜磁黄铁矿的转化速率和单斜磁黄铁矿→六方磁黄铁矿的转化速率均随着温度的升高而升高。较低温度下,500-600℃,黄铁矿→单斜磁黄铁矿的转化速率大于单斜磁黄铁矿→六方磁黄铁矿的转化速率,较高温度下,700-900℃,单斜磁黄铁矿→六方磁黄铁矿的转化速率高于黄铁矿→单斜磁黄铁矿的转化速率。3、无论是在有氧环境还是缺氧环境中,黄铁矿和磁黄铁矿去除As(Ⅲ)的适宜pH都较宽(弱酸到弱碱),去除As(V)的适宜pH均为弱碱性。有氧环境下黄铁矿和磁黄铁矿对As(Ⅲ)和As(V)去除较缺氧环境下快,黄铁矿和磁黄铁矿对As(V)的去除优于对As(ⅢⅢ)的去除。4、煅烧后的黄铁矿对As(Ⅲ)和As(V)的去除优于天然黄铁矿,最佳煅烧条件为600℃煅烧1h,即单斜磁黄铁矿对As(Ⅲ)和As(V)具有最佳吸附能,对As(Ⅲ)和As(V)吸附的适宜pH类似天然黄铁矿。600℃煅烧黄铁矿无论是有氧还是缺氧环境下对As(Ⅲ)和As(V)的吸附动力学均符合准二级动力学速率方程拟合；等温吸附则都符合Langmiur等温模型。5、煅烧黄铁矿对As(Ⅲ)和As(V)的吸附可认为包括物理吸附和化学吸附两个部分。物理吸附主要是矿物本身结构对As(ⅢⅢ)和As(V)的吸附作用,所以存在更多吸附位的单斜磁黄铁矿的吸附效果较好。化学吸附主要通过氧化还原过程来反映：对As(Ⅲ)的吸附,有氧环境下大量Fe(Ⅱ)氧化为Fe(Ⅲ),生成FeOOH和Fe(OH)3,与As(Ⅲ)发生强烈的络合作用及絮凝作用；缺氧环境下少量(或没有)Fe(Ⅱ)氧化为Fe(Ⅲ),主要Fe(OH)3和Fe(OH)2,与As(1Ⅲ)发生絮凝作用。对As(V)的吸附类似于As(Ⅲ)的吸附,且由于As(V)还原为As(ⅢⅢ),促使Fe(Ⅱ)氧化为Fe(Ⅲ)；缺氧环境下,As(V)仍然可以还原为As(ⅢⅢ),同时Fe(Ⅱ)氧化为Fe(Ⅲ),可以形成大量的Fe(OH)3与As(Ⅲ)/As(Ⅴ)发生絮凝作用。XPS分析结果则显示有氧环境下对As(Ⅲ)的吸附产物中砷价态基本为三价,对As(V)的吸附产物中砷的价态为五价和三价共存；缺氧环境下对As(Ⅲ)的吸附无氧化反应,砷价态为三价,对As(V)的吸附中存在五价砷的还原反应,所以砷价态基本为三价。
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【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X523;P579

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