常压条件下臭葱石合成过程热力学及动力学研究

发布时间：2017-05-11 21:16

  本文关键词：常压条件下臭葱石合成过程热力学及动力学研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本工作针对高浓度含砷废水的处置问题,以溶解性弱、化学稳定高的臭葱石晶体(Fe-As-O_4×2H_2O)为研究对象,针对其在常压酸性条件下合成过程的热力学及动力学展开研究。明确臭葱石晶体的热力学稳定区及其结晶过程的反应机理、为砷无害化工艺流程的完善及技术集成提供理论支撑。本文的研究内容如下:基于热力学计算明确了常温下Fe-As-H_2O系各沉淀组分的热力学稳定区。研究表明,臭葱石转变为氢氧化铁的边界pH值为2.3,即体系pH值接近2.3时更利于臭葱石的合成。此外,平衡时铁含量的升高会导致稳定区的缩小。由实验确定了酸性条件下以Fe(III)和As(V)为原料合成臭葱石晶体的较优工艺条件为:反应温度80℃,初始pH值2,铁砷摩尔比1,初始砷浓度20 g·L~(-1)。在上述条件下反应6 h后可以得到臭葱石晶型的砷酸铁,且除砷率可高达94.8%。由XRD和SEM分析可知,所得臭葱石较为纯净且结晶度较高,结晶产物晶粒清晰,呈二维棒状。分析了臭葱石结晶过程的成核长大机理,臭葱石结晶过程分为沉淀和转形两个步骤。高浓度的Fe~(3+)和AsO_4~(3-)反应先生成无定形砷酸铁,由于Fe-As-O_4在水溶液中电离度较大,经陈化后无定形砷酸铁沉淀会经逆向离子解离作用转化为晶形砷酸铁即臭葱石晶体。其中析出无定形砷酸铁的过程反应速率很快,故臭葱石结晶过程的速率控制步骤主要为无定形砷酸铁转化为晶形臭葱石的转形过程。在60~90℃范围内对不同铁砷摩尔比条件下臭葱石结晶过程的动力学展开研究,结果表明其结晶过程遵循Johnson-Mehl-Avrami方程表示的作用机制。在铁砷摩尔比为0.8时结晶反应的速率控制步骤为相界控制,其反应表观活化能值为52.01 k J·mol~(-1)。当铁砷摩尔比大于1时结晶反应受成核控制,铁砷摩尔比为1和1.2时其结晶反应的表观活化能值分别为72.94 k J·mol~(-1)和171.92 k J·mol~(-1)。
【关键词】：砷 臭葱石 热力学 结晶动力学
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ138.11;X703
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-21
• 1.1 选题目的及研究意义9
• 1.2 砷的性质、来源及其应用9-11
• 1.2.1 砷的性质9-10
• 1.2.2 砷的资源分布10
• 1.2.3 砷的资源利用10-11
• 1.2.4 砷的毒性与污染11
• 1.3 含砷废水处理技术现状11-16
• 1.3.1 化学法11-13
• 1.3.2 物化法13-15
• 1.3.3 微生物法15-16
• 1.4 臭葱石合成工艺及机理研究进展16-19
• 1.4.1 臭葱石合成工艺研究进展16-18
• 1.4.2 臭葱石合成热力学及动力学研究进展18-19
• 1.5 本课题研究内容、方法及课题创新点19-21
• 1.5.1 研究内容19
• 1.5.2 研究方法19-20
• 1.5.3 课题创新点20-21
• 第二章 实验原料、设备及方法21-24
• 2.1 实验原料21
• 2.2 实验试剂及仪器21-22
• 2.2.1 实验试剂21
• 2.2.2 实验仪器21-22
• 2.3 实验及检测方法22-24
• 第三章 臭葱石结晶过程的热力学研究24-35
• 3.1 引言24-25
• 3.2 Fe-As-H_2O系lgc-pH图研究25-34
• 3.2.1 FeAsO_4×2H_2O(sc)-Fe(OH)_3(s)-H_2O体系26-31
• 3.2.2 FeAsO_4×2H_2O(am)-Fe(OH)_3(s)-H_2O体系31-34
• 3.3 本章小结34-35
• 第四章 臭葱石结晶过程的实验研究35-44
• 4.1 引言35
• 4.2 反应温度的影响35-36
• 4.3 pH值的影响36-39
• 4.4 铁砷摩尔比的影响39-40
• 4.5 初始砷浓度的影响40-42
• 4.6 结晶产物的物相分析42-43
• 4.7 本章小结43-44
• 第五章 臭葱石结晶过程的动力学研究44-59
• 5.1 引言44
• 5.2 臭葱石结晶的动力学机理分析44-46
• 5.2.1 常压水热法制备臭葱石的机理44-45
• 5.2.2 动力学模型45-46
• 5.3 动力学实验方法46-47
• 5.4 不同铁砷摩尔比条件下臭葱石的结晶动力学47-56
• 5.4.1 铁砷摩尔比为 0.8 时臭葱石的结晶动力学47-50
• 5.4.2 铁砷摩尔比为1时臭葱石的结晶动力学50-53
• 5.4.3 铁砷摩尔比为 1.2 时臭葱石的结晶动力学53-56
• 5.5 铁砷摩尔比对臭葱石结晶动力学的影响56-57
• 5.6 本章小结57-59
• 第六章 结论59-61
• 参考文献61-66
• 致谢66-67
• 攻读学位期间的研究成果67-68

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本文编号：358092