地热水质条件对针铁矿吸附砷的行为影响及其机理的初步研究

摘要

关于在地热水质条件下将砷的吸附行为与金属氧化物的表面特性相结合的研究还相对较少。本研究以自制针铁矿为研究材料,从宏观吸附实验和微观表面分析两个角度系统研究地热水温、多组分共存离子等水质条件对砷在材料表面吸附行为的影响,进而探讨地热水质条件下中砷在水合金属氧化物表面的吸附反应机理,为进一步揭示地热水条件下砷的迁移转化规律提供参考资料。
　　 研究结果表明:自制针铁矿具备良好的晶型结构,表面存在较为丰富的活性羟基。在模拟地热水质条件下As(Ⅲ)和As(V)均在pH4.6时较pH9.2易于吸附,表明静电吸引在针铁矿吸附砷的过程中起重要作用。砷吸附可很好地拟合拟二级动力吸附模式和Freundlich等温吸附模型。pH9.2时,温度对吸附有着一定影响,温度越高,吸附速率越快,吸附容量越大,表明除静电吸引之外,砷在针铁矿表面还发生了其他的物理化学反应。在温度为363K时As(Ⅲ)的最大吸附容量为23.34 mg/g,相应的吸附平衡浓度为8.33 mg/L;As(Ⅴ)的最大吸附容量为33.59mg/g,相应的吸附平衡浓度为3.21 mg/L。吸附热力学参数表明砷在针铁矿表面的吸附以物理吸附为主,是自发进行的吸热反应。
　　 在模拟地热水实验的结果表明,磷是吸附实验中最主要的干扰离子,氟离子对吸附的影响不大,离子强度对As(Ⅲ)和As(V)的吸附有促进作用,模拟地热水的二价金属离子和三价金属离子不利于As(Ⅲ)的吸附,却有利于As(Ⅴ)的吸附。
　　 初始pH4.6时,吸附过程的pH变化表明,随着反应进行,溶液的pH逐渐升高,吸附容量越高,pH变化量越大,表明吸附过程伴随有氢氧根离子的释放或氢离子的消失。FTIR结果显示,As(Ⅲ)或As(Ⅴ)主要是与材料表面的1400-1800cm-1之间的活性基团发生反应,表明砷吸附在针铁矿的表面有新的化学键生成。XRD结果显示吸附前后材料的晶型没有发生改变。XPS结果显示,吸附过程中As(Ⅲ)未向As(Ⅴ)转化,初步表明砷同铁原子不发生直接结合,进一步表明表面羟基的置换是材料表面上砷吸附发生的主要机理。