铁、铝及其复合氢氧化物去除水中砷（Ⅴ）的吸附研究

摘要

砷是高毒元素，是水体中优先控制的污染物之一，因此饮用水中砷的污染及其去除方法成为环境领域研究的热门话题。大量资料显示，制备高效吸附材料是处理含砷水的重要技术环节，以此为吸附剂的吸附除砷法也是实用可行的方法。本文根据Fe(Ⅲ)、Al(Ⅲ)、Mn(Ⅱ)对砷有较强的亲和性，研究了铁、铝、锰氧化物及复合铁铝氢氧化物对砷(Ⅴ)的吸附去除性能。 研究表明，氢氧化铁和氢氧化铝对砷的吸附能力与溶液pH有关，当砷的初始浓度为0.001、0.0001和0.00001mol/L时，氢氧化铁在pH3～10的较宽范围内，吸附砷的效率分别为99.9％、99.5％和95％，可将溶液中的砷浓度降到0.05mg/L以下；当砷的初始浓度为0.0001和0.00001 mol/L时，氢氧化铝在pH6-9的范围内，吸附砷的效率分别大于99％，初始砷浓度为0.001 mol/L时，在pH为4时对砷的吸附效率最高，为84.56％。在pH为3、7和12时，氢氧化铁和氢氧化铝对砷的吸附等温线都可用Freundlich公式来进行拟合，相关系数R2>0.99。 固定pH值，改变Fe(Ⅲ)/Al(Ⅲ)摩尔比，用化学沉淀法制得9种同时含有Fe(Ⅲ)和Al(Ⅲ)的系列复合铁铝氢氧化物吸附剂。用化学分析、X射线衍射、红外光谱、扫描电镜等现代分析手段对复合物的化学组成、物相、形貌、比表面积、孔容和孔径、及在溶液中的表面带电情况进行了表征和测定；考察了9种复合物对溶液中砷(Ⅴ)的吸附性能；并从吸附剂的组成、结构、表面性质，溶液的酸度、组成及砷的存在形式等三方面探讨了复合铁铝氢氧化物对溶液中As(Ⅴ)的吸附机理。结果表明，在pH为5.0-9.0的范围内，当溶液中初始砷浓度为2 mg·L<'-1>(0.0000267mol/L)，不同组成的铁铝复合氢氧化物都能使溶液中的砷含量降到世界卫生组织限制的0.01mg/L以下标准，其中以Fe(Ⅲ)/Al(Ⅲ)摩尔比为7:3的复合物吸附除砷能力最强。pH为5.0～9.0时各复合物对砷的吸附模式均符合Freundlich和Langmuir等温吸附方程。 吸附机理研究表明，溶液酸度和复合铁铝氢氧化物的结构及表面电荷是影响砷吸附的重要因素。微晶～无定形态的结构特征，小孔径，大比表面积，较高的等电位点是它们具有很强砷吸附能力的主要原因。常见共存离子不影响砷的吸附，吸附态.As(Ⅴ)的解吸量随解吸剂pH的升高而增大；扫描电镜分析表明，吸附As(Ⅴ)后吸附剂的表面孔洞比吸附前明显均匀且变小，说明As(Ⅴ)进入到吸附剂的内层孔隙中。推测复合铁铝氢氧化物对砷的吸附机制为：首先通过物理的静电引力使溶液中的As(Ⅴ)酸阴离子进入到吸附剂的孔隙中，再和吸附剂表面的三Fe-OH和≡Al-OH官能团形成多核配位基络离子，产生了专属性化学吸附。该类复合物是一种优良除砷吸附剂。氧化锰对砷的吸附实验结果表明，在pH为6时，当砷的初始浓度为0.001、0.0001和0.00001mol/L时，二氧化锰除砷效率分别23.26％、50.62％、98.67％：在pH为3、7和12时，砷在氧化锰上的吸附等温线都可以用Freundlich公式来进行拟合，相关系数R<'2>>0.96。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1砷的环境特性

1.1.1砷及其化合物概况

1.1.2砷的环境污染概况

1.1.3砷污染对人体健康的影响

1.2饮用水中砷的去除方法研究现状

1.2.1化学沉淀与共沉淀法

1.2.2氧化法

1.2.3离子交换法

1.2.4膜分离法

1.2.5生物法

1.2.6离子浮选法

1.2.7吸附法

1.3铁、铝、锰(氢)氧化物吸附砷的研究概况

1.3.1铁、铝、锰(氢)氧化物对砷的吸附研究

1.3.2新型除砷吸附剂的研究开发

1.4本文研究的内容和目的

1.4.1选题依据

1.4.2研究目的

1.4.3研究内容

第二章理论基础

2.1吸附的基本概念

2.2影响吸附的因素

2.2.1吸附时间与动力学

2.2.2pH的影响

2.2.3离子强度的影响

2.2.4温度的影响

2.3吸附理论模型及表面络合模式

2.3.1吸附理论模型

2.3.2表面络合模式

2.4水环境中As的测定方法

2.4.1国家标准方法

2.4.2国内、外石墨炉原子吸收技术的进展

2.4.3溶液中砷、铁、铝的测定

第三章氢氧化铁对砷(Ⅴ)的吸附作用研究

3.1材料与方法

3.1.1试剂与仪器

3.1.2吸附实验方法

3.2结果与讨论

3.2.1pH和初始砷浓度对吸附效率的影响

3.2.2砷初始浓度对吸附平衡时砷浓度的影响

3.2.3吸附等温线

3.2.4利用Langmuir等温吸附式求最大吸附量

3.3小结

第四章氢氧化铝对砷(Ⅴ)的吸附作用研究

4.1实验部分

4.1.1试剂与仪器

4.1.2吸附实验方法

4.2结果与讨论

4.2.1pH和初始砷浓度对吸附效率的影响

4.2.2砷初始浓度对吸附平衡时砷浓度的影响

4.2.3吸附等温线

4.2.4利用Langmuir等温吸附式求最大吸附量

4.3小结

第五章复合铁铝氢氧化物的的制备和性能表征

5.1实验部分

5.1.1材料和仪器

5.1.2理论基础

5.1.3复合铁铝氢氧化物吸附剂的制备

5.1.4复合铁铝氢氧化物的性能表征

5.2实验结果与讨论

5.2.1化学成分分析

5.2.2粉晶X射线洐射分析

5.2.3红外光谱分析

5.2.4 BET比表面积分析

5.2.5部分复合吸附剂的电镜扫描图

5.2.6表面电性研究

5.3小结

第六章复合铁铝氢氧化物对As(Ⅴ)的吸附性能研究

6.1实验部分

6.1.1主要试剂与仪器

6.1.2复合铁铝氢氧化物对砷的吸附性能实验

6.2结果与讨论

6.2.1各复合铁铝氢氧化物在低初始砷浓度下对砷的吸附研究

6.2.2复合铁铝氢氧化物对砷的吸附等温线及吸附模型

6.3小结

第七章复合铁铝氢氧化物吸附As(Ⅴ)的机理探讨

7.1实验部分

7.1.1主要试剂与仪器

7.1.2等温吸附实验

7.1.3溶液酸度对吸附As(Ⅴ)的影响实验

7.1.4 As(Ⅴ)的解吸实验

7.2结果与讨论

7.2.1复合铁铝氢氧化物吸附剂的成分、结构及表面性质

7.2.2吸附时间的影响

7.2.3不同pH下复合铁铝氢氧化物对砷的吸附特征

7.2.4体系pH对复合铁铝氢氧化物吸附As(Ⅴ)的影响

7.2.5共存组分及离子强度对吸附As(Ⅴ)的影响

7.2.6吸附剂上As(Ⅴ)的解吸

7.2.7用于吸附实际工业生产废水实验

7.3小结

第八章二氧化锰对水中As(Ⅴ)的吸附作用研究

8.1实验部分

8.1.1试剂与仪器

8.1.2实验方法

8.2实验结果与讨论

8.2.1pH和初始砷浓度对吸附效率的影响

8.2.2砷初始浓度对吸附平衡时砷浓度的影响

8.2.3吸附等温线

8.3小结

第九章结论与建议

9.1氢氧化铁和氢氧化铝对砷的吸附实验研究结论

9.2复合铁铝氢氧化物对砷的吸附实验研究结论

9.3二氧化锰对砷的吸附实验研究结论

9.4创新性

9.5存在的问题及进一步研究重点

参考文献

致谢

个人简历、申请学位期间的研究成果及发表的学术论文