铁锰氧化物对砷的吸附和氧化特性研究

发布时间：2020-08-23 18:08

【摘要】：土壤中含有的变价元素和带有表面电荷的铁锰氧化物具有良好的表面活性，是土壤中重金属的重要吸附剂和氧化剂，研究铁锰氧化物对As(Ⅲ)和As(V)的吸附和氧化特性具有重要的理论和实践意义。本文以在试验室条件下合成的水铁矿和水钠锰矿为供试材料，在采用扫描电子显微镜（SEM）和X-射线衍射技术及电位滴定对其物相、形貌及其在溶液中的表面带电情况进行表征和测定后，系统地研究了这2种铁锰氧化物对As(III)和As(V)的吸附能力及对As(III)的氧化性能，以及吸附剂投加量、反应时间、pH、砷初始浓度、离子强度和温度等因素对其吸附和氧化性能的影响，主要研究结果如下：水钠锰矿与As(Ⅲ)的反应过程比较复杂，As(III)被氧化的同时还伴随着δ-MnO2对As(III)和As(V)的吸附和固定作用。在25℃，pH6.0条件下，有90%的As(III)(1.0mg/L)被δ-MnO2转化，其中有49%被δ-MnO2吸附，10%被固定。增加δ-MnO2的投加量会促进As(III)的转化以及对各形态砷的吸附。大部分加入的As(Ⅲ)（1.0mg.L-1）在反应的数分钟内就可被锰氧化物氧化。氧化产物As(V)的释放速度也相当快，但还原产物Mn（II）的释放速率则相对较慢。在反应的90min内，当初始浓度分别为0.5，1.0，5.0，10.0，15.0mg.L-1时，As(Ⅲ)吸附率可分别达到93.59，92.56，92.31，89.15和87.17%。溶液的pH值对锰氧化物氧化As(Ⅲ)的影响较大，当pH较低时，As(III)的氧化量会随pH值的升高而逐渐下降，达到最低值后，又随pH的升高表现出较大幅度的增加。As(III)的氧化效率随着As(III)初始浓度的增加而降低，但对As(III)和As(V)的吸附量具有随As(III)初始浓度的增加而提高的趋势。升高pH有利于锰氧化物对还原产物Mn（II）的吸附，但不利于As(Ⅲ)的氧化和对氧化产物As(V)的吸附。温度是影响水钠锰矿对As(Ⅲ)的吸附和氧化的重要因素，升高温度对氧化反应不利，而对吸附反应有利；锰氧化物对总砷的吸附和氧化受不同离子强度的影响也较为明显，升高离子强度可抑制As(Ⅲ)氧化反应的进行。水铁矿对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附速率随着投加量的升高而加快，在同一投加量条件下，砷的初始浓度越低，吸附速率越快。抛物线扩散方程能够较好地描述As(Ⅲ)的吸附动力学过程，水铁矿对As(Ⅲ)的吸附更倾向于扩散层模式机制。对于As(V)来说，双常数方程和Elovich方程的拟合效果较好，而抛物线扩散方程和准一级动力学方程相对差一些。在不同pH条件下，水铁矿对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附量均随投加量的增加而下降，随砷初始浓度的升高而增大，但水铁矿对As(Ⅴ)的去除率在相对较低的吸附剂投加量和较高的As(Ⅴ)初始浓度条件下受pH的影响更为明显。As(Ⅲ)的吸附量在整个pH范围内变化不大，而对于As(Ⅴ)当pH7时，其吸附量没有发生明显变化，但当pH7时，吸附量则迅速下降。水铁矿对As(Ⅴ)的吸附在酸性或中性条件下较高，而碱性条件则不利于As(Ⅴ)的吸附。水铁矿对As(Ⅲ)的吸附用Langmuir方程的拟合效果要优于Freundlich等温方程；As(Ⅴ)的等温吸附数据在酸性和中性条件下用Langmuir方程拟合较好，但在碱性条件下差一些。总的来说，使用Langmuir方程能够更好地描述水铁矿在不同pH条件下对As(Ⅲ)或As(Ⅴ)的吸附规律。从Langmiur等温方程计算得出，水铁矿对As(Ⅲ)的吸附在pH6时获得最大吸附量为45.67mg/g，而对As(Ⅴ)是在pH7时获得最大吸附量为22.12mg/g，这与之前不同投加量和不同砷初始浓度条件下pH对吸附的影响规律一致。在铁锰氧化物共存体系中，当As(Ⅲ)初始浓度较低时，水铁矿本身并不氧化As(Ⅲ)，体系氧化能力的增强是通过水铁矿对氧化生成的As(Ⅴ)的吸附作用实现的，且在较低pH条件下，水铁矿对As(Ⅲ)氧化的促进作用更为明显。当As(Ⅲ)初始浓度较高时，水铁矿的专性吸附作用占优势，对As(Ⅲ)氧化的促进作用减弱。
【学位授予单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X703
【图文】：

扫描电镜照片,水铁矿,水钠锰矿,扫描电镜照片

(A) (B)图 2-1 水铁矿(A)和水钠锰矿(B)的扫描电镜照片Fig.2-1 SEM images of the ferrihydrite (A)and birnessite (B) 是水铁矿和水钠锰矿的扫描电镜照片，可以用来反映水铁矿和水图 2-1 可以看出水铁矿(A)为无固定形貌的絮状体，有部分呈现小B)表面颗粒为串状或球状集合体，但是颗粒之间聚结比较严重，导致水钠锰矿的总空体积和比表面积较低。线衍射 (XRD)分析究中供试的水铁矿和水钠锰矿的 XRD 衍射图谱如图 2-2 所示。

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(B)图 2-2 水铁矿(A)和水钠锰矿(B)的 X 射线衍射曲线Fig.2-2 X-ray diffraction of the ferrihydrite (A)and birnessite (B) 可以看出，在水铁矿(A) 的 XRD 图谱中没有出现明显的特晶程度很低，这与英汉土壤学名词中描述的“结晶很差的微钠锰矿(B)的 XRD 衍射图谱在角度值为 12.44，25，37 的 3与 δ-MnO2的标准图谱基本吻合。此外，图谱中宽化的衍射体的粒径很小，结晶性很差，所以可以提供更多的表面吸附点的测定物电荷零点(PZC)的测定采用延时盐滴定法(陆泗进，2006)于烘干重 0.5 g 的样品分别加入到若干 50 ml 的离心管中， HCl 或 NaOH 调节溶液 pH，使 pH 分布在适当的范围(1~6最终体积为 10 ml。

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而氧化物表面结合的被氧化金属离子的释放和金属离子的还原则构成了第三和第四步。图3-3 为 Mn(IV)氧化物被 As( Ⅲ )还原溶解的表层交叉反应示意图。如图所示，被还原的Mn(IV)原子可与两个表面相结合，其中一个为近表面 Mn(IV)原子。在电子传递的过程中，2 个 Mn-O 键断开，2 个氧原子被质子化，1 个氧原子加到 As 上。表面反应点位总数不变时因为还原性 Mn2+释放之后近表面 MnO 基团质子化而产生了新的点位（Michael和 James，1995）。

【引证文献】