硫化褐铁矿净化水中汞的作用与机理

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随着我国城镇化与工业化的快速发展,汞污染问题日益严峻,并受到广大人民群众的高度重视与深切关注。热活化硫铁矿由于其较高的反应活性与独特的孔状结构,在处理含汞废水方面有着极高的研究价值。本文以安徽铜陵新桥褐铁矿和黄铁矿为原料,通过在氮气气氛下联合焙烧制备硫化褐铁矿样品。通过XRD、XRF、热重/差热分析、比表面积分析、SEM等表征手段,对氮气气氛下联合焙烧处理后的硫化褐铁矿(Limonite-Pyrrhotite,L-Pyr)的变化规律进行综合分析。通过静态实验考察不同实验条件对联合焙烧处理后的L-Pyr处理水中Hg(Ⅱ)的影响,并对反应后产物进行XRD、XPS、TEM等表征分析,探究L-Pyr的除汞能力与反应机理。通过设计动态柱实验对比L-Pyr、煅烧黄铁矿(Modified Pyrite,MPy)、天然黄铁矿(Pyrite,Py)的连续除汞效果,对L-Pyr持续除汞能力进行探究。实验结果表明:(1)质量比为1:5的天然褐铁矿与天然黄铁矿混合后在反应温度550℃、反应时间4小时氮气气氛条件下联合焙烧,可将褐铁矿完全转化为磁黄铁矿,比表面积增大且孔隙结构丰富。(2)静态实验结果表明,L-Pyr是除汞效果极佳的实验材料。在p H为6,温度为308 K的实验条件下L-Pyr对水中汞的吸附过程符合Langmuir等温吸附模型(R2>0.998),最大吸附量可达210.36 mg/g,吸附类型为单分子层吸附。在一定范围内Hg(Ⅱ)初始浓度越高(10~200 mg/L),p H值越高(2~6),反应温度越高(288~308 K),反应时间越长(10~1440 min),L-Pyr的去除量就越大。单位质量吸附效率最高的吸附剂投加量为0.4 g/L,外加Fe2+,Cl-,SO42-等离子会不同程度地抑制反应的进行,而外加NO3-对反应有促进作用。准二级动力学反应模型(R2>0.998)符合吸附反应过程,L-Pyr吸附Hg(Ⅱ)的原理为化学吸附。热力学数据表明,L-Pyr的吸附过程是自发的吸热反应,反应主要由吸附熵驱动。化学沉淀作用是吸附过程中最主要的反应形式,Hg S是吸附剂中汞最主要的固定形式。(3)反应后产物表征分析表明,L-Pyr和MPy对溶液中Hg(Ⅱ)的吸附过程主要发生了化学吸附沉淀、表面络合和离子交换反应,固定的汞主要以Hg S和汞络合物的形式存在。L-Pyr和MPy处理Hg(Ⅱ)溶液的主要机理是吸附剂与Hg(Ⅱ)之间的吸附与化学沉淀作用。(4)动态实验结果表明,L-Pyr动态除汞效果良好,动态柱穿透前的处理水量达185.5 L,出水Hg(Ⅱ)浓度低于国家标准(0.05 mg/L),去除率高于99.8%。L-Pyr动态柱的Hg(Ⅱ)固定量为122.75 mg/g,动态柱底部填料含汞量超过40%。
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