納米磁性鐵吸附砷及不可逆吸附研究.pdf

1、地下水中砷污染已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)普遍存在的問(wèn)題，國(guó)際上對(duì)砷的飲用水標(biāo)準(zhǔn)有更為嚴(yán)格規(guī)定的趨勢(shì)，迫切需要發(fā)展和改進(jìn)相應(yīng)的處理技術(shù)。而納米磁性鐵由于具有大的比表面積以及磁性分離特征，是非常具有潛力的飲用水除砷材料。砷在納米磁性鐵上的吸附解吸行為是影響砷去除效率的關(guān)鍵因素，也是評(píng)價(jià)納米磁性鐵作為除砷材料的基礎(chǔ)。但是，目前關(guān)于砷吸附解吸的研究多集中在三價(jià)鐵和零價(jià)鐵上，而關(guān)于砷在納米磁性鐵上吸附解吸的研究報(bào)道不多，其作用機(jī)理尚不明確，因此有必要研究

2、砷在納米磁性鐵上的吸附解吸行為及作用機(jī)理，為納米磁性鐵應(yīng)用于飲用水中砷處理提供基礎(chǔ)理論和依據(jù)，為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)砷被納米磁性鐵富集后在環(huán)境中的遷移和轉(zhuǎn)化提供量化手段。
　　 本論文結(jié)合吸附熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)、吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和吸附熱力學(xué)/動(dòng)力學(xué)模型的模擬，考察了反應(yīng)時(shí)間、氧化還原條件、pH、競(jìng)爭(zhēng)離子和Zn2+對(duì)砷在納米磁性鐵上吸附的影響，以及砷在納米磁性鐵上的解吸行為，探討了砷在納米磁性鐵上的吸附動(dòng)力學(xué)和不可逆吸附機(jī)理。本論文得到了如下研究結(jié)論：

3、
　　 1.砷在納米磁性鐵上的吸附是非線性的、隨時(shí)間變化的過(guò)程，在反應(yīng)初期，吸附較快，隨后是一個(gè)持續(xù)的慢吸附，表現(xiàn)出明顯的兩相吸附特征。氧化還原條件會(huì)對(duì)砷在納米磁性鐵上的吸附產(chǎn)生影響，在無(wú)氧和還原劑存在條件下，砷在納米磁性鐵上的吸附都相對(duì)較弱。氧化還原反應(yīng)有可能是導(dǎo)致砷在納米磁性鐵上慢吸附的作用機(jī)理之一。
　　 2.四種模型，包括Freundlich模型、擴(kuò)散雙層模型、兩相一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和多元反應(yīng)模型(MRM)，都能夠較

4、好地?cái)M合砷在納米磁性鐵上的吸附數(shù)據(jù)。其中MRM模型不僅可以描述砷的吸附熱力學(xué)行為，還可以描述涵蓋不同濃度的動(dòng)力學(xué)吸附行為?；谀Ｐ蛿M合結(jié)果及分析，推測(cè)砷在納米磁性鐵上的慢吸附過(guò)程，其機(jī)理不是表面沉淀作用所導(dǎo)致的，而可能是由內(nèi)部擴(kuò)散作用或氧化還原反應(yīng)、或兩者的聯(lián)合作用所導(dǎo)致。
　　 3.金屬離子Zn2+會(huì)影響砷在納米磁性鐵上的吸附，并且其影響程度會(huì)隨pH值不同而變化。在pH8.0時(shí)，Zn2+對(duì)As[V]和As[III]吸附具有顯著

5、的加強(qiáng)作用，在pH7.0時(shí)，對(duì)As[V]吸附的加強(qiáng)作用減弱。而在pH4.5和6.0時(shí)，Zn2+對(duì)As[V]的吸附幾乎不產(chǎn)生影響。通過(guò)比較共存金屬離子Ca2+和Ag+對(duì)As[V]在納米磁性鐵上吸附的影響，以及As[V]在納米氧化鋅和載有鋅的納米磁性鐵上的吸附，我們認(rèn)為，Zn2+導(dǎo)致的砷吸附增強(qiáng)最有可能的原因是三元表面絡(luò)合物(表面-金屬-配體)的形成。即Zn2+與As[V]或As[III]在溶液中形成了“類(lèi)金屬”(Metal-like)絡(luò)合

6、物，在pH為中性和近中性條件下，這種“類(lèi)金屬”絡(luò)合物與納米磁性鐵表面之間具有較強(qiáng)的親和力，因此通過(guò)形成三元表面絡(luò)合物，導(dǎo)致砷在納米磁性鐵中的吸附增強(qiáng)。
　　 4.pH8.0時(shí)，碳酸氫根(HCO3-)對(duì)As[V]在納米磁性鐵中的吸附具有明顯的抑制作用。Zn2+可以削弱HCO3-對(duì)As[V]吸附的抑制效應(yīng)，達(dá)到比較理想的As[V]去處效果，即利用少量的納米磁性鐵(0.1-0.2 g/L)，就能在較短時(shí)間內(nèi)(1.2 h)去除溶液中90

7、％以上的As[V]，達(dá)到砷的飲用水標(biāo)準(zhǔn)。
　　 5.采用不同介質(zhì)溶液研究納米磁性鐵吸附態(tài)砷的穩(wěn)定性，結(jié)果表明，五種介質(zhì)溶液中，磷酸鹽和檸檬酸鹽溶液具有較強(qiáng)的砷解吸能力，但在連續(xù)六步解吸后，仍有很大一部分砷保留在納米磁性鐵中，表明溶液中砷一旦吸附到納米磁性鐵上就很難解吸下來(lái)，因此在環(huán)境條件下，吸附態(tài)的砷較為穩(wěn)定，不容易從納米磁性鐵中釋放出來(lái)。
　　 6.砷在納米磁性鐵上的解吸呈不可逆現(xiàn)象，具有與有機(jī)污染物阿特拉津相似的兩相

8、解吸特征。描述有機(jī)污染物吸附的兩相數(shù)學(xué)模型：雙模式模型(DMM)和雙Langmuir模型(DLM)，可以很好地描述砷在納米磁性鐵和阿特拉津在土壤中的解吸行為。此外，MRM對(duì)砷和阿特拉津吸附解吸動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)模擬結(jié)果表明：MRM模型可以根據(jù)砷在納米磁性鐵上的吸附數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其解吸行為；而MRM不能用于描述阿特拉津的吸附動(dòng)力學(xué)性行為，說(shuō)明吸附/解吸過(guò)程的慢動(dòng)力學(xué)過(guò)程是砷不可逆吸附的主要原因，而物理鎖定是阿特拉津在土壤中的不可逆吸附最有可能的