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环境科学类论文 Fe/改性杭锦2#土的制备及其废水中砷的吸附性能研究

2018-12-19 17:04:48来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘 要:用杭锦2#土作为载体,制备出铁改性活性白土,使用SEM和XRD技术分析表征。将制备的铁改性杭锦2#土用于原子荧光光度法检测水中砷的吸附率。改性杭锦2#土的制备:将6moL/L盐酸溶液与杭锦2#土按固液比为1:10(质量g:体积mL)混合加热回流1h,冷却,洗涤至中性,烘干制得活性白土。铁改性活性白土的制备:改性杭锦2#土中加入2.0g氯化铁,以160r/min,在恒温55℃水浴中匀速震荡3h。过滤,烘干,得到实验所需的铁改性活性白土。结果表明在室温和pH中性的条件下铁改性活性白土对水中砷的吸附率可达到91.3%.

  关键词:杭锦2#土、铁改性活性白土;砷;吸附性;水

  砷,是人类最早研究和利用的化学物质之一,基本无毒但是其氧化物和砷酸盐毒性较大,危害性强,有害性显著。砷的单质在空气中会慢慢氧化,可以通过呼吸道,皮肤接触和食道消化进入人体并引发慢性,急性砷中毒现象危害人体健康[1],故于2017年,世界卫生组织国际癌症研究机构将砷和无机砷列入了致癌物清单列表中。

  我们国家的砷源相对来说集中分布于中南部及西部,其中广西、云南、湖南的累计探明储量分别达161.7万t、94.9万t和82.8万t, 共占全国累计探明储量的61.7%。其中,内蒙古自治区和西藏自治区占很大一部分比例,所以,砷资源大量存储于我们国家的西南部[2]。

  随着现代化生活,现代化工业的无限性发展,在对人类带来利益的同时又产生了一系列潜在的危害性。其中最有潜在危害,威胁性大且不易被人们直接的感知如视觉,触觉,味觉等被感觉到的是水体重金属的污染。由于历史遗留问题或人为的破坏性行为,导致水体中的重金属超过了正常接受值,变成了人体健康最可怕的安全隐患。重金属并不会随着时间被降解,而是呈递增状态,最终会以生物积累,层层传递,通过食物链沉积到人体中,因此危害就悄然发生。正因为这些固定和不定元素的影响近年来我国水体砷污染呈增长趋势,引起人们对于水体砷污染的治理以及管理的重视。

  水中砷的危害主要是由于As3+引起的,在没有任何协同因素存在的情况下长期饮用砷浓度超过0.01mg/L(世界卫生组织饮用水砷标准)的饮用水时,人体会出现乌脚病,黑色素沉着,角化过度等疾病症状,甚至有可能导致皮肤癌[3]。

  目前水体中砷元素的污染防治可采用的方法有很多种包括化学沉降法、物理降砷法、改水引水法、药物治疗及生物除砷方法[4]等。

  砷的测定大体可分为:光度分析法,其中包括砷斑法,分光光度法;原子光谱法,其中包括原子吸光光度法,原子荧光光谱法,电感耦合等离子体原子发射光谱法;联用技术;生物学方法等多种方法[5]。在本实验中测定水体中的砷,采用的是原子荧光光谱法。原子光谱指原子基态和激发态之间迁移时引起能量变化从而导致的光谱变化,根据原子光谱的强度变化及其特征光谱线可以对元素的量进行测定.原子光谱法中的原子发射光谱法、原子吸收光谱法、X射线荧光光谱法和原子荧光光谱法以及电感耦合等离子体质谱法等都已经用于砷含量的分析测定。

  1、实验部分

  1.1 主要实验试剂与仪器

  试剂:As标准溶液(1000μg/mL),抗坏血酸C6H8O6(分析纯),硼氢化钾KBH4(分析纯),氢氧化钾KOH(分析纯),盐酸HCl(分析纯),三氯化铁FeCl3,硫脲CH4N2S(分析纯)

  仪器:原子荧光光度计AFS-8220(北京吉天仪器有限公司),数显气浴恒温振荡器ZD-85(金坛市盛威试验仪器厂),氩气减压器(华青集团有限公司),0.22μg一次性针式滤器(上海本和贸易有限公司),电动离心机88-2(金坛市江南仪器)

  1.2吸附剂的制备

  将6moL/L盐酸溶液与杭锦2#土按固液比为1:10(质量g:体积mL)混合加热回流1h,冷却,洗涤至中性,烘干制得活性白土。

  称取4g杭锦2#制得的改性杭锦2#土,2.0g氯化铁,准备100ml去离子水,以160r/min,在55℃水浴中匀速震荡3h。过滤,烘干,得到实验所需的铁改性活性白土。

  还原剂的配制: 硼氢化钾10g,使用固体硼氢化钾制备出0.5% 氢氧化钾溶液,滴定至500ml的容量瓶中备用。

  载流液的配制:浓盐酸制备5%的盐酸,滴定至500ml的容量瓶中备用。

  用5g抗坏血酸,5g硫脲制得5%的抗坏血酸和5%的硫脲,现备现用。

  1.3铁改性活性白土对砷的吸附实验

  考察铁改性活性白土对砷的吸附时改性杭锦2#土的投加量、pH、温度、时间是必须所考虑到的因素,到底这些因素和条件的改变会不会对于砷的吸附有影响,实验中我们将利用一系列数据证明此论证。

  首先,对于不同的吸附剂在相同的条件下进行试验,确定吸附性能最好的吸附剂来完成对砷的吸附性能,吸附剂有:杭锦2#土原土,改性杭锦2#土以及铁改性活性白土。分别称取0.1、0.2、0.5、0.8、1.5、2.0g铁改性白土到100mL 1mg/L砷溶液中, 250℃,160r/min匀速震荡3h,针式过滤器,取滤液,测定溶液中的砷的含量,制作吸附等温曲线并分析结果。利用pH分别为3、4、5、6、7、8、9、10的100mL溶液,同铁改性活性白土与浓度1.0mg/L的砷溶液一起反应,实验条件同上。又分别在15、25、35、45、55、65℃的条件下,对称取的1.0g铁改性活性白土进行去除砷的实验[6]。

  计算公式: 吸附量:q=(C0-Ce)VW吸附率:h=(C0-Ce)VC0

  1.4标准曲线的绘制

  标液的制备:在容量瓶中加入0.0、0.5、1.0、2.0、4.0、5.0ml 的 0.1μg /mL 砷标准使用液,加入浓HCl,加入硫脲、抗坏血酸混合液体10.0mL,用去离子水定容至50mL容量瓶。得到标准溶液。标准曲线如图1。浓度200、400、600、1000μg/mL时荧光值分别为0.34、0.62、0.84、1.5随着浓度的增大荧光值呈递增趋势。

  图1 标准曲线

  1.5工艺流程图

  图2 工艺流程图

  2、结果与讨论

  2.1 吸附剂的表征

  2.1.1 吸附剂的SEM分析

  Al:5.00

  Si:19.48

  O:46.84

  图3 改性杭锦2#土的SEM分析图

  Fe:0.62

  Al:8.25

  Si:6.87

  O:38.97

  图4 吸附剂的SEM分析图

  在图3及图4可以看到,改性前的活性白土中氧、硅、铝的含量分别为46.84%、19.48%、5.00%,而在铁改性活性白土中氧、硅、铝、铁的含量分别为38.97%、6.87%、8.25%、0.62%,将两组数据相比较可以发现改型后的土中含有了铁元素且导致氧和硅含量减小,而铝的含量却相对增大。

  2.1.2 吸附剂的XRD分析

  图5 吸附剂的XRD分析图

  由图5可以看出,在XRD表征后可发现活性白土在改性前后结构上没有发生变化,在2θ= 12.5、25、38、62.5时出现峰值。

  2.2 三种不同的吸附剂在最适条件下对砷的吸附效果的影响

  对于三种吸附剂的两组实验数据表示,由此可知三种吸附剂的吸附点位不一,其中单位含量内铁改性活性白土的吸附点位最多,其次为活性白土,最后为杭锦2#土。

  表  SEQ 表格 \* ARABIC 1 不同的吸附剂对水中砷吸附效果的影响

  吸附剂 平衡浓度(mg/L) 平衡吸附量(mg/g) 吸附率(%)杭锦2#土 0.6267 0.0373 30.0

  活性白土 0.2667 0.0733 48.0

  铁改性活性白土 0.0867 0.0913 63.0注:溶液中砷初始浓度为1.0mg/L,吸附时间为6h,pH为7,温度为25℃。

  2.3改性土的不同投加量对砷吸附率的影响

  实验过程中铁改性活性白土的含铁量逐渐增长,铁改性活性白土对于砷元素的吸附量也呈逐步上升状态。当投加量1.5g时程度时,对砷的吸附状态最好。见表2.而平衡吸附量呈下降状态。这是由于投加量增大时吸附剂的吸附性能变大,使吸附量上升;又因为投加量的增大砷离子与铁离子的比例变小,使平衡吸附量下降。

  表  SEQ 表格 \* ARABIC 2 不同的铁改性活性白土投加量对吸附率的影响

  投加量(g) 平衡浓度(mg/L) 平衡吸附量(mg/g) 吸附率(%)0.1 0.8533 0.1405 14.67

  0.2 0.7067 0.1441 23.93

  0.5 0.5933 0.0807 40.67

  0.8 0.4333 0.0707 56.68

  1.0 0.3000 0.0695 70.00

  1.5 0.1867 0.0704 81.33

  2.0 0.1600 0.0419 84.00注:溶液中砷初始浓度为1.0mg/L,吸附时间为3h。

  2.4 pH对水中砷吸附率的影响

  pH的变化使铁改性活性白土对砷的吸附率不再是逐步增加或逐步减少,而是先增后减,当pH等于7时出现一个吸附最高点见表3。这是由于强酸或强碱存在的同时会与砷离子处于相互排斥且争夺吸附点位,导致砷离子无法正常的被吸附剂所吸附。

  表  SEQ 表格 \* ARABIC 3 不同pH的砷标液对吸附率的影响

  pH 平衡浓度(mg/L) 平衡吸附量(mg/g) 吸附率(%)3 0.807 0.019 19.0

  4 0.647 0.035 35.0

  5 0.353 0.065 65.0

  6 0.127 0.087 87.0

  7 0.013 0.099 99.0

  8 0.207 0.079 79.0

  9 0.307 0.069 69.0

  10 0.553 0.045 45.0注:溶液中砷初始浓度为1.0mg/L,吸附时间为3h,吸附剂的量为1g。

  2.5温度的影响

  跟温度与pH不同,随着温度的增加,铁改性活性白土对砷的吸附能力会逐渐下降,对于吸附性能有不利的影响,所以进行吸附试验时温度在室温即可,且注意避免高温,见表4。这是由于当温度增加时溶液里的分子过于活跃,在吸附剂里扩散的速度变快,导致吸附率变低。

  表  SEQ 表格 \* ARABIC 4 实验条件温度对水中砷吸附率的影响

  温度(℃) 平衡浓度(mg/L) 吸附率(%)15 0.040 96

  25 0.173 82.7

  35 0.360 64

  45 0.433 56.7

  55 0.680 32

  65 0.830 17注:溶液中砷初始浓度为1.0mg/L,吸附时间为3h,吸附剂的量为1g。

  2.6不同的震荡时间对砷吸附率的影响

  随着时间震荡的不断增加,吸附率与平衡吸附量越来越高,呈直线上升趋势。有数据可以分析出震荡时间越久,铁改性活性白土对砷的吸附率会越好,见表4。这可能是由于砷溶液与吸附剂的吸附点位有了充分的接触,随着时间吸附点位越来越少,砷溶液的浓度越来越低,导致了吸附率逐步上升的趋势。

  表  SEQ 表格 \* ARABIC 5 不同的震荡时间对水中砷吸附率的影响

  时间(min) 平衡浓度(mg/L) 平衡吸附量(mg/g) 吸附率(%)1 0.700 0.030 30.0

  5 0.520 0.048 48.0

  10 0.366 0.063 63.0

  20 0.346 0.065 65.0

  60 0.273 0.073 73.0

  120 0.260 0.074 74.0

  240 0.160 0.084 84.0

  360 0.060 0.094 94.0.注:溶液中砷初始浓度为1.0mg/L,吸附剂的量为1g。

  3、结论

  经过对不同吸附剂的吸附率实验,得知三种吸附剂的吸附性分别为杭锦2#土<改性杭锦2#土<铁改性活性白土,证实铁改性活性白土的吸附性最强。又通过不同因素的改变,得知1.0g铁改性活性白土,在室温下,pH等于7时,震荡后其吸附率可以达到91.3%。

  由此可见,吸附率对不同吸附剂有不同的吸附率,还受温度,pH,时间等因素的影响。室温,pH7,震荡时间足够是吸附实验最适当的条件。在砷消除实验中可参考以上条件。吸附剂与水中砷的反应大部分属于化学反应,通过分子活动,及砷离子与吸附点位的接触来导致最后的吸附率的大小。

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