改性赤泥材料的制备及其对水中Sb(Ⅲ)的吸附行为研究

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赤泥是工业制铝过程中产生的固体废物,其产生量大、成分复杂,常见的处理方式为露天堆放,存在许多环境安全隐患,因此赤泥的资源化利用成了当今环境领域的研究热点。我国是锑的主要生产国之一,锑矿的开采、冶炼等过程导致大量的含锑污染物进入自然环境,锑污染对生态环境以及人类健康已造成严重威胁。近年来,含铁金属合成材料因其表面官能团丰富、廉价易制等特点,在水体重金属吸附研究中得到了广泛应用,特别是通过外磁场可以实现固液分离的含四氧化三铁(Fe3O4)的复合材料。本研究采用共沉淀法制备了纳米四氧化三铁改性赤泥材料(HRM@nFe3O4),通过改变制备条件提升了HRM@nFe3O4对水体中Sb(Ⅲ)的吸附效果。利用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、比表面积分析(BET)、振动样品磁强计(VSM)等设备对材料进行了表征分析。然后通过静态吸附实验、离子共存实验、吸附-脱附再生实验和动态吸附柱实验探讨了HRM@nFe3O4对Sb(Ⅲ)的吸附性能。最后通过吸附动力学分析、吸附等温线分析、傅里叶红外光分析(FTIR)、X射线光电子能谱分析(XPS)进一步研究了材料的潜在吸附机理,并得出以下结论:(1)高铁赤泥(HRM)与纳米四氧化三铁(nFe3O4)的质量比为1:1时,HRM@nFe3O4对Sb(Ⅲ)的去除效果最好。最佳陈化时间为2 h,最佳干燥温度85℃。由表征分析可知,改性后的HRM@nFe3O4表面粗糙,存在纳米级颗粒团聚,呈现出多孔的结构,且材料表面含铁量明显增多。原赤泥表面呈尖晶型结构,经过改性后变成了非晶态无定型结构,具有较大的比表面积(171.63 m~2/g)。HRM@nFe3O4具有明显磁性,在水体中分散性好,外加磁场可加速固液分离。(2)HRM@nFe3O4在较广泛的pH范围(2.6~12.6)对Sb(Ⅲ)均有良好的吸附效果且受温度影响较小。在温度为298 K,pH为4.6±0.2,转速为150 r·min/g,初始浓度为5 mg/L的条件下,吸附剂的投加量为0.2 g/L时,HRM@nFe3O4对Sb(Ⅲ)的去除效率最高。在较低的Sb(Ⅲ)浓度下,几种阳离子和SO42-、Cl-对Sb(Ⅲ)的去除影响较小。CO32-对吸附有一定的促进作用,尤其低浓度时促进效果显著;Si O32-对吸附有明显抑制作用;PO43-在低浓度条件下促进吸附,高浓度条件下抑制吸附。(3)HRM@nFe3O4具有良好的再生性能,经过四次吸附-脱附循环后,HRM@nFe3O4第五次吸附实验的吸附容量仍为第一次吸附容量的60%以上,可多次重复使用。利用HRM@nFe3O4进行连续动态吸附柱实验,当HRM@nFe3O4填充量为2 g,吸附柱容积为10 m L,水力停留时间为7 min,可将5 L初始含Sb(Ⅲ)浓度为800μg/L的模拟含锑地下废水处理达标,即出水口Sb(Ⅲ)浓度低于5μg/L。(4)吸附过程符合伪二级动力学模型,说明化学吸附在反应过程中起主要作用。等温吸附与Langmuir方程的拟合度更高,说明吸附过程更接近于单分子层吸附。拟合结果显示,在308 K时,HRM@nFe3O4对Sb(Ⅲ)的最大吸附容量可达98.03 mg/g。通过FTIR和XPS的机理分析结果表明,Sb(Ⅲ)与HRM@nFe3O4表面的官能团发生了络合反应,同时还与材料腐蚀释放的铁离子发生了共沉淀反应。
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