磁性铁氧基硫掺杂纳米吸附剂的制备及其对水中砷的去除机理研究

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砷(As)作为一种常见的类金属元素广泛存在于自然界中,主要通过自然作用如风化、溶解、侵蚀和人类活动如采矿、化工、农业等进入水体,造成危害。水体具有流动性,一旦被砷污染,不但会严重威胁全世界人类的身体健康,也会对地球生态系统的良性发展造成不可挽回的影响,且极难恢复。人类长期饮用或接触被砷污染的水体会诱发诸如肝癌和皮肤癌等一系列严重的健康问题。即使在很低浓度的条件下长期接触砷,亦会造成生物体病变。因而,含砷污废水的治理和砷污染的应对已逐渐成为广受全球目光关注的焦点问题。去除水体中的砷对保护人体健康和生态环境都具有十分重要的意义。本文采用一种新型的磁性铁氧基硫掺杂纳米吸附剂(Fe3O4:S)对水体中不同价态砷元素进行吸附,并与未掺杂的铁氧基纳米吸附剂(Fe3O4)进行对比。结果表明,磁性铁氧基硫掺杂纳米吸附剂(Fe3O4:S)对水体中As(Ⅴ)和As(Ⅲ)表现出不同的吸附能力。Fe3O4:S纳米材料能迅速高效地去除水体中的As(Ⅴ),其吸附性能较未掺杂的Fe3O4纳米吸附剂有较大程度的提高。而对于As(Ⅲ)而言,Fe3O4:S纳米颗粒较之未掺杂的Fe3O4纳米材料吸附性能稍有降低。制备的纳米吸附材料的另外一个重要优势在于吸附完成后,其能依托自身磁性,在外界磁场下实现快速和有效的磁性分离,这对吸附剂在水体中的分离和回收颇为有利。为探究吸附剂的吸附机理,本文采用X射线衍射分析(XRD)、能量色散X射线荧光光谱分析(ED-XRF)、透射电镜分析(TEM)、红外光谱分析(FTIR)、X射线光电子能谱分析(XPS)和振动样品磁强分析(ⅤSM)等表征检测方法对所制备的纳米吸附剂进行了晶体结构、表面形貌以及化学状态的检测。分析表明,磁性铁氧基硫掺杂纳米吸附剂(Fe3O4:S)对水中As(Ⅴ)的去除主要依靠Fe-S的断裂和Fe-OH的生成来提供砷酸根的吸附位点,而对水中As(Ⅲ)的去除过程包括As(Ⅲ)的氧化和吸附两方面。最后,本文还将所制备的纳米吸附材料应用于实际冶炼废水中,考察了磁性铁氧基硫掺杂纳米吸附剂(Fe3O4:S)对实际含砷工业废水的吸附能力,为除砷吸附剂的开发与应用提供了一定的理论与技术基础。
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