含铁矿物对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附及氧化还原转化研究

摘要

砷是一种有毒的类金属元素，环境中的砷可能通过皮肤接触、消化道及呼吸道等途径进入人体，从而对人体产生危害。吸附法除砷由于优点较多而成为国内外的研究热点，而铁（氢）氧化物由于对砷具有较高的亲和力而受到了很大的关注。前人的研究所选择的铁（氢）氧化物主要集中为水铁矿、赤铁矿和针铁矿，然而关于磁铁矿和纤铁矿吸附As(III)或者As(V)的研究却相对较少，故研究选取磁铁矿和纤铁矿作为吸附材料对As(III)和As(V)进行吸附，另选取已被大量研究的水铁矿作为对比。此外，砷的毒性与迁移性随其存在形态的变化而变化，As(III)的毒性及迁移性均大于As(V)，故砷在环境中的氧化还原作用对砷的毒性与活性存在很大的影响。然而，关于含铁矿物氧化还原砷的研究却较少，故研究选取纤铁矿作为氧化性矿物对As(III)进行氧化试验，选取黄铁矿作为还原性矿物对As(V)进行还原试验。主要的研究内容和结果如下：
　　1.水铁矿、磁铁矿、纤铁矿对As(III)的吸附：在反应体系初始pH为7.0时，反应24 h后三种铁矿对As(III)的吸附达到吸附平衡，水铁矿、磁铁矿和纤铁矿对As(III)的平衡吸附量分别为39.422、29.235、15.038 mg/g，吸附能力大小顺序为水铁矿>磁铁矿>纤铁矿。准二级动力学方程的拟合效果明显优于准一级动力学方程，三种铁矿的拟合系数均为1.000，说明吸附存在多种吸附过程，如外部液膜扩散、吸附和内部颗粒扩散等，并且吸附过程可能涉及化学吸附作用。在反应体系初始pH为2.0时，吸附等温线用Langmiur方程和Freundlich方程拟合效果均较好，拟合系数皆在0.98以上，说明三种铁矿对 As(III)的吸附为均匀介质表面的单层吸附或者非均匀介质表面的多层吸附；1/n均介于0.1至0.5之间，说明三种铁矿对As(III)均有很好的吸附性能；水铁矿、磁铁矿、纤铁矿对As(III)的最大吸附量分别达到了65.359、27.397、16.129 mg/g。三种铁矿对As(III)的吸附效果在pH为4.0、7.0、9.0时较好且无明显的变化，而强酸和强碱条件都会导致As(III)吸附效果的降低；随着磷酸盐浓度的增大，As(III)的平衡吸附量逐渐降低；腐殖酸抑制三种铁矿对As(III)的吸附。
　　2.水铁矿、磁铁矿、纤铁矿对As(V)的吸附：在反应体系初始pH为7.0时，反应24 h后三种铁矿对 As(V)的吸附达到吸附平衡，水铁矿、磁铁矿和纤铁矿对 As(V)的平衡吸附量分别为18.428、12.438、16.484 mg/g，吸附能力大小顺序为水铁矿>纤铁矿>磁铁矿。准二级动力学方程的拟合效果明显优于准一级动力学方程，三种铁矿的拟合系数均在0.999以上，说明吸附存在多种吸附过程，如外部液膜扩散、吸附和内部颗粒扩散等，并且吸附过程可能涉及化学吸附作用。在反应体系初始pH为2.0时，吸附等温线用Langmiur方程和Freundlich方程拟合效果均较好，拟合系数皆在0.95以上，说明三种铁矿对As(V)的吸附为均匀介质表面的单层吸附或者非均匀介质表面的多层吸附；1/n均介于0.1至0.5之间，说明三种铁矿对As(V)均有很好的吸附性能；水铁矿、磁铁矿、纤铁矿对 As(V)的最大吸附量分别达到了105.26、45.455、14.706 mg/g，吸附能力大小顺序为水铁矿>磁铁矿>纤铁矿，此与动力学部分的水铁矿>纤铁矿>磁铁矿顺序不同，说明pH的改变会导致铁矿吸附As(V)能力的改变。升高温度有利于吸附反应的进行，说明吸附反应是个吸热的过程；支持电解质NaCl浓度的改变对As(V)平衡吸附量没有显著的影响；除纤铁矿在强酸性条件下对As(V)的吸附较弱外，三种铁矿对As(V)的吸附随着pH的升高而逐渐降低；由于竞争吸附作用，磷酸盐浓度的增加使得As(V)的吸附量显著降低；低浓度的腐殖酸可能会微弱地促进水铁矿和磁铁矿对As(V)的吸附，高浓度的腐殖酸明显抑制三种铁矿对As(V)的吸附。
　　3.纤铁矿对 As(III)的氧化：纤铁矿对 As(III)同时存在着吸附作用和氧化作用。本试验条件下，在反应进行21 d后，溶液中的As(V)浓度不再变化，说明纤铁矿对As(III)的氧化已达平衡，As(III)的氧化量为18.325 mg/L。随着初始As(III)浓度的增加，溶液中的As(V)浓度逐渐增加，说明As(III)的氧化量逐渐增大，然而由于溶液中总砷浓度的增加，As(III)的氧化率逐渐降低。酸性条件有利于纤铁矿对As(III)的氧化。
　　4.黄铁矿对As(V)的还原：黄铁矿对As(V)存在着明显的还原作用。黄铁矿对As(V)存在吸附作用，然而较之水铁矿、磁铁矿和纤铁矿不同，黄铁矿对As(V)的吸附需要很长的时间才可以达到吸附平衡。随着反应时间的增加，As(V)的还原量先变大后逐渐降低。随着初始 As(V)浓度的增大，As(V)的还原量逐渐增大，然而还原率却逐渐降低。在酸性条件下As(V)的还原量大于中碱性条件下的还原量。

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文献综述

1 环境中的砷

2 环境中的铁（氢）氧化物

3 铁（氢）氧化物吸附砷的研究进展

4 矿物氧化As(III)和还原As(V)的研究进展

5 砷的去除技术

1 引言

2 材料与方法

2.1 供试材料

2.2 仪器设备

2.3 水铁矿、磁铁矿、纤铁矿对As(III)的吸附试验

2.4 水铁矿、磁铁矿、纤铁矿对As(Ⅴ)的吸附试验

2.5 纤铁矿对As(Ⅲ)的氧化试验

2.6 黄铁矿对As(Ⅴ)的还原试验

2.7 样品分析与数据处理

3 结果与分析

3.1 水铁矿、磁铁矿、纤铁矿对As(III)的吸附

3.2 水铁矿、磁铁矿、纤铁矿对As(Ⅴ)的吸附

3.3 纤铁矿对As(Ⅲ)的氧化

3.4 黄铁矿对As(Ⅴ)的还原

4讨论

5结论

参考文献

致谢

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