葡萄糖酸钠插层磁性铁铝复合材料吸附还原废水中的Cr(Ⅵ)

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电镀废水的水质复杂,成分不易控制,含有各类重金属离子和氰化物等致畸、致癌、致突变的剧毒物质,危害极大。水滑石是一种具有层板阳离子可调控性和层间阴离子可交换性等性质的黏土,尤其在阴离子的吸附方面表现出巨大潜力。为了高效去除废水中的Cr(Ⅵ)氧阴离子,并尽可能降低其毒性,本文采用水热合成法制备了一种以Fe(Ⅱ)和Al(III)为骨架,具有吸附和还原双重性能的水滑石材料,用于研究模拟废水中Cr(Ⅵ)的去除行为。为了进一步提高材料对Cr(Ⅵ)的去除效率和材料的回收率,通过葡萄糖酸钠(GA)插层改性和Fe3O4赋磁改性得到GA@Fe-Al LDH和GA@Fe3O4@Fe-Al LDH,并比较了不同GA用量和赋磁方式合成的材料去除Cr(Ⅵ)的性能;通过批次去除实验,研究了初始浓度、p H和干扰离子种类及浓度对材料去除Cr(Ⅵ)的影响;然后通过材料上铬的直接回收和氧化回收实验,结合处理前后材料的XRD、XPS、FTIR、VSM和等电点测定等表征方法,探讨材料对Cr(Ⅵ)的去除机理及其贡献。最后,研究了改性材料在实际电镀废水中的应用可行性。主要研究结论如下:(1)SEM图展示了Fe-Al LDH及其改性材料均由明显的薄片状颗粒堆叠形成的水滑石层状结构。XRD图谱中(003)和(006)等特征峰代表各类水滑石材料的成功合成。FTIR图谱中1108 cm-1、2925 cm-1和1453 cm-1附近分别属于SO42-、C-H键和-COO-的吸收带,表明GA的成功插层。GA@Fe3O4@Fe-Al LDH和Fe3O4的VSM图表示成功对类水滑石材料赋予磁性。(2)GA@Fe-Al LDH和GA@Fe3O4@Fe-Al LDH对Cr(Ⅵ)的单位材料去除量较改性前分别提升43.43%和39.65%。Cr(Ⅵ)浓度为30 mg L-1,固液比为0.25 g L-1时,Fe-Al LDH、GA@Fe-Al LDH和GA@Fe3O4@Fe-Al LDH的单位材料去除量分别为63.32、90.91和77.93 mg g-1,这在众多去除Cr(Ⅵ)的材料中处于较高水平。Cr(Ⅵ)的去除数据均符合准二级动力学模型,表明Cr(Ⅵ)的去除是一个化学过程。(3)Cr(Ⅵ)去除实验溶液中出现Cr(Ⅲ),但其浓度最高时仅为1.74 mg L-1表明材料存在还原性但将溶液中Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ)的能力较弱。同时,材料对Cr(Ⅲ)的吸附亲和力也不强(对于Fe-Al LDH材料,当Ce=0.25 mg L-1时,Kd=0.36×10~2 m L g-1),初步推测Cr(Ⅵ)的去除主要是通过阴离子交换被吸附到Fe-Al LDH层间实现的,其交换吸附量占去除量的94.6%。然而,铬回收实验中三种材料上释放的总铬的回收率分别为93.73%、93.46%和78.56%,其中Cr(Ⅲ)含量分别占回收的铬总量的82.13%、88.64%和95.54%,可见Cr(Ⅵ)被吸附后大部分在材料上被还原为Cr(Ⅲ)并储存于材料中,这是材料去除水中Cr(Ⅵ)的主要机制。(4)随着Cr(Ⅵ)初始浓度的升高,材料对Cr(Ⅵ)的单位去除量增加,去除率降低。材料表面在溶液呈酸性和中性时带正电,此时材料对Cr(Ⅵ)的去除效果良好,随着p H继续升高,表面电荷变为负值,单位材料去除量开始下降。溶液中的干扰离子对材料去除Cr(Ⅵ)表现为抑制作用,根据干扰离子的电荷数以及离子半径大小,其抑制程度表现为阴阳干扰离子共存>干扰阴离子>干扰阳离子。(5)GA@Fe-Al LDH或GA@Fe3O4@Fe-Al LDH在固液比为0.625 g L-1的总铬浓度为95.42 mg L-1(其中Cr(Ⅵ)浓度为70.86 mg L-1)的实际废水中Cr(Ⅵ)的去除率为59.46%和52.04%,单位材料去除量分别为66.01和57.79 mg g-1。因此,改性材料在实际废水中的处理仍然有效。综上所述,本文合成的改性水滑石材料对水中Cr(Ⅵ)的去除效果良好,在处理后的材料上能以Cr(Ⅲ)的形式回收铬元素,并且对实际废水的处理也同样有效,因此具有较高的应用潜力。
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