铁锰复合氧化物对重金属铬(Ⅲ)、砷(Ⅲ)吸附/氧化特征研究

摘要

目前，工农业迅速发展而带来的重金属污染问题日趋严重，这已成为全球危害最大的环境问题之一。许多研究发现，铁猛氧化物对土壤中重金属的吸附具有重要影响。迄今，众多国内外研究结果主要集中在铁氧化物或锰氧化物对重金属的作用。而实际环境中，铁锰氧化物通常处于共生状态，因此，混合态的铁锰复合氧化物对重金属的富集作用才能更确切地反映实际环境的真实情况。有研究表明铁锰氧化物同时存在时对重金属的吸附能力较单一氧化物有所改变。到目前为止，混合态的铁锰复合氧化物对重金属铬、砷的吸附和氧化作用尚无系统研究，因此对铁锰复合氧化物与铬、砷的相互作用机理的探索显得十分必要，这对于阐明金属离子在铁锰氧化物中的迁移、转化规律，揭示铁锰复合氧化物-金属离子反应的一般规律，以及对重金属离子的调控和污染控制等方面均具有重要的理论和实践意义。
　　本论文重点研究了铁锰复合氧化物对Cr(Ⅲ)、As(Ⅲ)的吸附解吸、氧化还原特征;溶液pH值、离子强度、温度等因素对其吸附解吸、氧化还原的影响以及反应的热力学和动力学特征，主要研究结果如下:
　　1、铁锰复合氧化物对Cr(Ⅲ)的吸附动力学特征表明，吸附过程分为初始的快吸附和随后的慢吸附两个阶段，当吸附时间在120min内，随时间的延长吸附量快速增加，当吸附时间超过240min，随时间的延长吸附量缓慢增加，在1440min基本达到平衡;在相同的吸附时间内，随着初始铬浓度的增加，吸附量相应增加。Lagergren伪二级动力学方程较好地描述吸附过程，且Cr(Ⅲ)的Lagergren伪二级动力学方程吸附常数随着初始浓度增加而减小，说明了初始浓度的升高增加了达到平衡所需的时间。
　　2、在等温吸附与解吸过程中，随着初始Cr(Ⅲ)离子浓度增加，铁锰复合氧化物对Cr(Ⅲ)的吸附量、解吸量、氧化量均增加，但解吸率却减小。铁锰复合氧化物对Cr(Ⅲ)的等温吸附以Langmuir方程拟合效果最佳，达到显著相关(R2=0.991，n=5);Freundlich方程次之。实验条件(pH=5.0，25℃)下利用Langrnuir方程计算出的的最大吸附量达到151.5mg/g，说明铁锰复合氧化物对Cr(Ⅲ)离子有较好的吸附效果。
　　3、随着温度的升高，表面负电荷密度增加，有利于Cr(Ⅲ)的吸附和氧化反应，因而随着温度的升高，铁锰复合氧化物对Cr(Ⅲ)的吸附量和氧化量均增加。
　　4、酸度对铁锰复合氧化物等温吸附Cr(Ⅲ)的影响较大，铁锰复合氧化物对Cr(Ⅲ)的吸附量、吸附率随着pH值的增加而增加，氧化量、氧化率随pH值的增加先增大后减小，在pH=4时出现峰值。
　　5、随着离子强度的增加，铁锰复合氧化物对Cr(Ⅲ)的吸附量、吸附率减小，氧化量、氧化率增加。
　　6、铁锰复合氧化物对As(Ⅲ)的吸附动力学特征表明:该吸附过程可分为快速吸附阶段和慢速吸附这两个阶段;比较五种动力学拟合方程，Lagergren伪二级动力学模型和粒子内扩散模型最适于描述。整个吸附过程是非常复杂的非均相扩散过程，吸附速率主要由粒子内扩散控制，但也并不是唯一的速度控制步骤。吸附过程主要为化学吸附。
　　7、随着As(Ⅲ)的平衡浓度的增大，铁锰复合氧化物对As(Ⅲ)的吸附量、氧化量不断增加，吸附率、氧化率不断降低;As(Ⅲ)在铁锰复合氧化物上的吸附用Langmuir方程能够很好描述，达到显著性相关。实验条件(pH=5.0，25℃)下利用Langmuir方程计算出的的最大吸附量达到121.95 mg/g。随着吸附量的增大，解吸量、解吸率也逐渐增大，但总的来说，解吸量、解吸率都较低，这说明铁锰复合氧化物对As(Ⅲ)吸附效果较好。
　　8、铁锰复合氧化物对As(Ⅲ)的吸附量、吸附率、氧化量、氧化率均随着pH值的增加先增加后减小，均在pH=6时出现峰值。最大氧化率接近70％。
　　9、离子强度对铁锰复合氧化物吸附和氧化As(Ⅲ)有一定的影响，吸附量及吸附率均随着离子强度增大而增大。氧化量及氧化率随着离子强度增大而降低，并且酸性条件下离子强度对As吸附和氧化的影响大于碱性条件。
　　10、铁锰复合氧化物对砷离子的吸附是放热反应，温度的升高不利于铁锰复合氧化物对砷离子的吸附。随着温度升高，氧化量增加，氧化率降低。解吸实验表明温度对解吸量没有太大影响。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 土壤铬污染及其危害

1．1．1 土壤铬污染来源

1．1．2 铬污染的危害

1．1．3 土壤中铬的迁移转化

1．2 土壤砷污染及其危害

1．2．1 土壤砷的来源

1．2．2 土壤砷的存在形式及迁移转化

1．2．3 土壤中砷的吸附-解吸

1．2．4 土壤砷的生物有效性

1．3 土壤中的铁锰氧化物及其对重金属的吸附

1．3．1 土壤中的铁锰氧化物

1．3．2 土壤中的铁锰氧化物对重金属的吸附

第二章 引言

2．1 研究目的与意义

2．2 研究范围和内容

2．3 技术路线

第三章 实验材料与方法

3．1 供试材料

3．1．1 主要试剂

3．1．2 主要仪器及设备

3．1．3 铁锰复合氧化物的制备

3．1．4 实验砷标准工作溶液的制备

3．2 试验方法

3．2．1 铁锰复合氧化物对Cr(Ⅲ)离子的吸附解吸／氧化还原特征研究

3．2．2 铁锰复合氧化物对As(Ⅲ)离子的吸附解吸／氧化还原特征研究

第四章 结果与讨论

4．1 铁锰复合氧化物对三价铬离子的吸附解吸和氧化特征

4．1．1 铁锰复合氧化物对Cr(Ⅲ)的吸附动力学特征

4．1．2 铁锰复合氧化物对Cr(Ⅲ)的等温吸附／氧化特征

4．1．3 铁锰复合氧化物对Cr(Ⅲ)的等温解吸特征

4．1．4 温度对铁锰复合氧化物等温吸附／氧化Cr(Ⅲ)的影响

4．1．5 酸度对铁锰复合氧化物等温吸附／解吸Cr(Ⅲ)的影响

4．1．6 离子强度对铁锰复合氧化物等温吸附Cr(Ⅲ)的影响

4．2．铁锰复合氧化物对重金属三价砷的吸附解吸和氧化还原特征

4．2．1 铁锰复合氧化物对As(Ⅲ)的吸附动力学特征

4．2．2 铁锰复合氧化物对三价砷离子的等温吸附／解吸特征

4．2．3 酸度对铁锰复合氧化物吸附As(Ⅲ)的影响

4．2．4 离子强度对As(Ⅲ)吸附量的影响

4．2．5 温度对铁锰复合氧化物吸附As(Ⅲ)离子的影响

第五章 结论与建议

5．1．结论

5．1．1 铁锰复合氧化物对Cr(Ⅲ)的吸附／氧化特征

5．1．2 铁锰复合氧化物对As(Ⅲ)的吸附／氧化特征

5．2．建议

参考文献

致谢

在学期间所发表的文章