掺钴水钠锰矿对铅的吸附及对砷的氧化

摘要

为了研究过渡金属离子掺杂对锰氧化物作为环境友好材料物理化学性质的影响,在浓盐酸还原高锰酸钾制备水钠锰矿过程中添加氯化钴,在常压回流条件下一步合成了三维纳米微球状水钠锰矿,考察了其铅吸附和砷氧化能力.应用粉晶X射线衍射、化学分析、N2物理吸附、场发射扫描电镜(FE-SEM)、X射线光电子能谱(XPS)等手段表征产物晶体结构、化学组成、微观形貌和元素化学状态.当初始钴锰摩尔比从0.05增加到0.20时,钴的引入没有改变水钠锰矿层状结构和微观形貌,但掺钴水钠锰矿的结晶度有所减弱.化学分析和XPS分析表明,随着钴含量的增加,矿物中锰平均氧化度降低,Mn3+和Mn4+含量分别与钴含量呈正相关和负相关.钴主要以Co(Ⅲ)OOH形式存在于矿物结构中,而且随着水钠锰矿结构中钴含量的增加,羟基氧摩尔分数由未掺钴时的12.79%分别增加到13.05%、17.69%和17.79%.掺钴水钠锰矿对铅的吸附能力和砷氧化能力显著增强.未掺钴水钠锰矿最大铅吸附量为2 538 mmol.kg-1,初始钴锰摩尔比分别为0.05、0.10、0.20时,矿物对铅的最大吸附量分别增加到2 798、2 932和3 146 mmol.kg-1.水钠锰矿对砷的氧化率为76.5%,掺钴水钠锰矿对砷的氧化率分别增加2.0%、12.8%和18.9%.Co3+部分取代了Mn4+进入到矿物晶格中,导致水钠锰矿晶层内的电荷不平衡,层负电荷增加,羟基含量增多,使水钠锰矿对铅的吸附能力显著增强.由于Co3+/Co2+具有比Mn4+/Mn3+/Mn2+更高的氧化还原电位,含钴水钠锰矿对砷的氧化率随着钴含量的增加而相应增加.因此,掺钴水钠锰矿具有更好的处理重金属离子污染水体的性能,本研究为锰氧化物环境友好材料的掺杂改性及其应用提供了思路.