鐵氧化物及其腐殖酸復(fù)合物對(duì)砷的吸持特性研究.pdf

1、腐殖酸與鐵氧化物是在土壤中共存的兩種重要膠體物質(zhì),兩者及其交互作用對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)形成、層次分異以及存在于土壤中的各種物質(zhì)的存在形態(tài)、生物有效性和物質(zhì)循環(huán)等具有重大影響,尤其是對(duì)土壤中重金屬的吸附固定具有重要意義。吸附-解吸是影響土壤中砷及其化合物遷移轉(zhuǎn)化的重要過程,鐵氧化物可以與土壤中的砷酸根通過專性吸附或非專性吸附形成內(nèi)層或外層配合物,這一作用受礦物類型、pH和離子強(qiáng)度等的影響。而在實(shí)際土壤中,腐殖酸的存在對(duì)鐵氧化物吸附砷離子會(huì)產(chǎn)生重大

2、影響,本研究選取針鐵礦、赤鐵礦和水鐵礦三種土壤中典型的鐵氧化物及其與腐殖酸結(jié)合形成的復(fù)合物為對(duì)象,采用等溫吸附-解吸熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)的方法,研究比較不同鐵氧化物及其與腐殖酸形成的復(fù)合物對(duì)砷的吸附-解吸特征,分析砷初始濃度、pH值、離子強(qiáng)度等因素對(duì)砷吸附的影響,結(jié)合吸附前后鐵氧化物及復(fù)合物XRD光譜分析及掃描電鏡(SEM),探討腐殖酸對(duì)鐵氧化物吸附砷的影響機(jī)理。主要研究結(jié)果如下:
　　 鐵氧化物對(duì)砷的吸持特性:鐵氧化物對(duì)砷(砷酸根)

3、的吸附量隨砷濃度的增加而增加,吸附過程呈現(xiàn)低濃度快而高濃度較慢的趨勢,等溫吸附熱力學(xué)均能用Frcundlich方程和Langmiur方程較好的擬合。不同類型的鐵氧化物對(duì)砷的吸附能力有較大差異,最大吸附量大小順序依次為:水鐵礦(19.31mg/g)＞針鐵礦(8.93mg/g)＞赤鐵礦(6.66mg/g),這可能與水鐵礦較大的比表面積和它的非晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。鐵氧化物對(duì)砷(砷酸根)的吸附動(dòng)力學(xué)可由雙常數(shù)方程、Elovich方程和準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程

4、很好的擬合。反應(yīng)在開始一段時(shí)間吸附量快速增長,達(dá)到一定吸附量水平后速度減緩,進(jìn)入慢速吸附階段,直至達(dá)到平衡。水鐵礦吸附速率最快,達(dá)到平衡時(shí)間最短,約4h后吸附量就達(dá)到平衡吸附量的90%,針鐵礦與赤鐵礦速率相對(duì)較慢,達(dá)到90%平衡吸附量的時(shí)間分別為12h,15h。
　　 鐵氧化物吸附砷的解吸難易程度與吸附量有關(guān),解吸量與吸附量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,說明隨著鐵氧化物對(duì)吸附量的增加,吸附牢固程度降低,所吸附的砷更易解吸。三種鐵氧化物的解吸

5、率有所不同,其中水鐵礦最大解吸率最高,達(dá)到44.42%,針鐵礦與赤鐵礦分別為15.43%和25.43%。這是由于水鐵礦表面存在大量以物理方式結(jié)合的砷酸根離子,這些砷酸根離子結(jié)合不牢固,易分散脫離于鐵礦表面。解吸速率呈現(xiàn)先快后慢的趨勢,水鐵礦在解吸開始1h后便可達(dá)到平衡解吸量得90%,針鐵礦與赤鐵礦則在8h后基本達(dá)到平衡。與吸附相比,解吸作用更快達(dá)到平衡。
　　 酸性條件有利于鐵氧化物對(duì)砷的吸附,隨著pH增加吸附量減少。在離子強(qiáng)度

6、為0.01mol/L條件下,當(dāng)pH由2增加至10時(shí),水鐵礦、針鐵礦、赤鐵礦吸附量分別由17.35mg/g,13.58mg/g,12.64mg/g下降至12.83mg/g,6.47mg/g,5.48mg/g;吸附量下降幅度分別為26.05%,52.36%,56.66%。這是由于隨著pH的增加,溶液中OH-陰離子增多,與砷離子產(chǎn)生競爭吸附抑制吸附進(jìn)行;同時(shí)酸性環(huán)境礦物表面正電荷有利于砷離子的結(jié)合。
　　 離子強(qiáng)度的增加有利于鐵氧化物

7、對(duì)砷的吸附。在pH為6.5時(shí),離子強(qiáng)度由0.01mol/L增加至0.5mol/L,水鐵礦、針鐵礦、赤鐵礦砷吸附量分別增加了0.80mg/g,1.89mg/g,1.74mg/g,增長幅度為:15.25%,10.52%,32.26%。離子強(qiáng)度的增加使得吸附劑表面雙電層被壓縮,砷酸根離子更易擴(kuò)散進(jìn)入礦物表面與其羥基產(chǎn)生配位吸附。同時(shí)說明該吸附為專性吸附,鐵氧化物通過與砷結(jié)合形成單核或雙核的絡(luò)合離子基團(tuán),并形成內(nèi)層配合物。
　　 復(fù)合物

8、對(duì)砷的吸持特性:腐殖酸與鐵氧化物復(fù)合降低了對(duì)砷的吸附容量和吸附速率,但并未改變鐵氧化物對(duì)砷吸附的基本特征。三種復(fù)合物吸附能力大小依次為:水鐵礦-腐殖酸(F-Has)＞針鐵礦-腐殖酸(G-Has)＞赤鐵礦-腐殖酸(H-Has),最大吸附量分別為:15.17mg/g、6.85mg/g、5.17mg/g。大小順序與單一鐵氧化物一致,但吸附量分別較相應(yīng)單一鐵氧化物降低了21.44%、23.29%、22.37%。腐殖酸抑制鐵氧化物對(duì)砷的吸附,導(dǎo)致

9、復(fù)合物對(duì)砷的吸附能力比相應(yīng)的鐵氧化物低,這一方面是由于加入腐殖酸后,鐵氧化物表面的一部分吸附位點(diǎn)被腐殖酸占據(jù),腐殖酸與砷產(chǎn)生了競爭吸附,抑制了砷的吸附作用;另一方面,腐殖酸的加入降低了鐵氧化物的表面電荷,使其表面正電荷減少,負(fù)電荷增多,這也不利于砷氧陰離子的結(jié)合。腐殖酸能有效降低鐵氧化物的砷解吸量和解析率,F-HA、G-HA、H-HA最大解吸率較單一鐵氧化物分別下降了20.18%,6.90%,19.6%。
　　 復(fù)合物吸附量隨p

10、H的增加而降低,在離子強(qiáng)度為0.01mol/L條件下,當(dāng)pH由2增加至10時(shí),F-HA、G-HA、H-HA吸附量分別由15.85mg/g,9.57mg/g,8.44mg/g下降至11.58mg/g,5.76mg/g,3.96mg/g。隨著pH的增加,復(fù)合物與單一鐵氧化物的吸附量差距逐漸減小,相關(guān)分析顯示,復(fù)合物下降趨勢較單一鐵氧化物緩慢,這一方面由于腐殖酸降低了鐵氧化物表面的零點(diǎn)電荷,使得腐殖酸的加入在中性與弱堿性條件下進(jìn)一步抑制了砷的

11、吸附,另一方面,腐殖酸能降低pH對(duì)鐵氧化物吸附砷的影響,使吸附在一定pH范圍內(nèi)保持平緩的降低,這與腐殖酸自身的緩沖能力有關(guān)。
　　 高離子強(qiáng)度可促進(jìn)復(fù)合物對(duì)砷的吸附,當(dāng)離子強(qiáng)度由0.01mol/L增加至0.5mol/L,F-HA、G-HA、H-HA吸附量分別增加了2.03mg/g,3.13mg/g,2.59mg/g。相關(guān)分析顯示,隨著離子強(qiáng)度的增加,結(jié)合了腐殖酸的鐵氧化物吸附曲線斜率更大,表現(xiàn)出更強(qiáng)的增長趨勢。說明,在高離子強(qiáng)度