氢氧化铁和双金属氧化物的合成及其对溶液中砷的吸附

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砷是一种应用范围很广的元素,同时也是一种毒性很大的元素,尤其是三价砷。对比了现有的多种去除砷的方法,实验证明用氢氧化铁和水滑石(LayeredDouble Hydroxides,LDH)在一定温度锻烧后所得的产物——双金属氧化物(Layered Double Oxides,LDO)吸附处理砷较为方便实用。首先观察了氢氧化铁对溶液中As(Ⅲ)的吸附过程和吸附性能。三种吸附剂分别为氢氧化铁凝胶,经微波真空干燥的凝胶和80℃烘干的凝胶,它们对溶液中As(Ⅲ)的的去除率分别为60.70%、71.15%和46.45%。经真空微波处理的凝胶对As(Ⅲ)的吸附率优于另外两种吸附剂。其主要原因可能是,凝胶中的水分子在微波辐射场作用下的高频振动,使得其内部在干燥脱水过程中保持了较高的孔隙度;此外,吸附剂的表面活性在微波处理过程中亦有可能得到了改善。吸附剂经超声波处理后,改善了其在介质中的分散性,吸附效率因此普遍提高,但也造成了固体微粒难以分离的问题。加热和隔绝空气对氢氧化铁吸附反应影响不大,说明氢氧化铁吸附As(Ⅲ)阴离子的反应基本不受气体溶解组分的影响。用共沉淀法合成了三种水滑石,即镁铝型水滑石(Mg-Al-LDH)、镁铁型水滑石(Mg-Fe-LDH)和锌铁锌铁型水滑石(Zn-Fe-LDH),其中Zn-Fe-LDH的合成在国内外均属首次。以这三种水滑石为前驱体,煅烧得到了相应的双金属氧化物,镁铝型双金属氧化物(Mg-Al-LDO)、镁铁型双金属氧化物(Mg-Fe-LDO)和锌铁型双金属氧化物(Zn-Fe-LDO)。它们都能有效吸附As(Ⅲ)。Mg-Al-LDO对As(Ⅲ)的吸附容量为114.9 mg/L(微沸)、Mg-Fe-LDO为199.0 mg/L(微沸)、Zn-Fe-LDO为77.8 mg/L(常规烘干,室温)和氢氧化铁为128.3 mg/L(微波真空干燥、室温)。比较而言Mg-Fe-LDO处理效果最好。双金属氧化物对溶液中As(Ⅲ)的吸附属化学吸附,即LDO在溶液中通过获取水分子、氢氧根和阴离子恢复了LDH结晶结构,这一反应可以称为“晶格记忆效应”,即LDH经煅烧转变为LDO后,保留了重建原先结构的能力。Mg-Al-LDO、Mg-Fe-LDO对溶液中As(Ⅲ)的吸附受到了溶解CO2的干扰,由此形成的碳酸根与As阴离子竞争水滑石中同一晶格位置。将反应介质加热能有效抑制溶解CO2的干扰,大幅提高LDO对As(Ⅲ)的吸附容量,特别是Mg-Fe-LDO。当溶液被加热时,Zn-Fe-LDO对As(Ⅲ)的吸附容量却有所下降。具体原因尚待进一步研究。Mg-Al-LDO和Mg-Fe-LDO处理含As(Ⅲ)溶液后溶液呈碱性,这是因为其中的MgO为微溶于水的碱性氧化物。含镁双金属氧化物与水的溶解~沉淀平衡使得溶液pH上升到10.5~11.4,超出了饮用水的标准,含镁双金属氧化物不适合处理饮用水。Zn-Fe-LDO处理含As(Ⅲ)溶液后,溶液的pH值呈中性。故氢氧化铁和Zn-Fe-LDO处理后的溶液更适于饮用。
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