纳米零价铁污泥基生物质炭的制备及其对水体中Sb(Ⅲ)的吸附行为研究

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我国是锑的主要生产国之一,随着锑矿的开采、冶炼过程导致大量的含锑废水进入环境,已严重威胁到了生态环境以及人类健康。近年来,利用新型改性低成本吸附剂处理废水中的锑受到了广泛关注,负载型改性吸附剂的开发成为除锑研究的热点话题。本研究利用液相还原法制备了纳米零价铁污泥基生物质炭(NZVI-SBC),通过改变多种制备条件来优化NZVI-SBC对Sb(Ⅲ)的吸附性能,并采用SEM、TEM、FTIR、BET、XPS等现代分析手段对NZVI-SBC进行表征分析。然后,通过静态吸附实验探讨NZVI-SBC对Sb(Ⅲ)的吸附性能,另外探讨了O2和负载的纳米零价铁(NZVI)对Sb(Ⅲ)的吸附和氧化的影响。最后通过吸附动力学、吸附等温线以及吸附热力学等分析方法来探讨其吸附行为,并借助FTIR和XPS进一步分析其潜在的吸附机理,得出以下结论:(1)以炭铁比为1:1,FeSO4·7H2O为负载铁源,煅烧温度为300℃的条件下制备的NZVI-SBC对Sb(Ⅲ)的吸附性能最佳。对于负载NZVI后的污泥基生物质炭,SEM、FTIR等表征分析可知其表面呈现出疏松多孔的结构,且含氧官能团数量有所增加并有新的含氧官能团出现;XPS扫描图谱证明了零价铁颗粒的存在;TEM图谱显示颗粒直径基本为30nm,即负载的颗粒为NZVI;BET数据表明其比表面积和孔体积都显著增大;最后,实验数据表明其对Sb(Ⅲ)的去除能力大约是SBC的25倍。(2)NZVI-SBC对Sb(Ⅲ)具有很强的吸附能力,其吸附过程为吸热过程,结果表明:在温度为298K,pH为4.8±0.2,转速为150r·min-1的条件下,吸附反应在3h后达到吸附平衡,当吸附剂的投加量为0.2g·L-1时,NZVI-SBC对Sb(Ⅲ)的去除率最高可达96.92%;吸附过程符合Pseudo-second-order kinetic模型,说明吸附主要是化学吸附,其吸附速率主要受液膜扩散控制;等温吸附符合Freundlich和Langmuir模型,但Freundlich方程对吸附过程具有更好的拟合性,说明其吸附为多层吸附,在318K时,对Sb(Ⅲ)最大吸附容量可达212.76mg·g-1。(3)O2的存在对Sb(Ⅲ)的吸附和氧化产生了一定的影响,这种影响程度随着Sb(Ⅲ)初始浓度的增加而增大:缺氧环境下能更好地促进Sb(Ⅲ)的吸附使水溶液中Sb(Ⅲ)含量减少,且推动Sb(Ⅲ)的氧化使其转化为毒性较小的Sb(V),说明此材料可能在地下水中的锑污染修复方面有较大的潜力。同样的,负载的NZVI对Sb(Ⅲ)的吸附和氧化也有一定的影响:Sb(Ⅲ)的吸附量和Sb(Ⅲ)的氧化量均是随着溶液中溶出的Fe含量增加而增大,进一步说明了负载的NZVI促进了Sb(Ⅲ)的吸附以及Sb(Ⅲ)的氧化,这种现象在Sb(Ⅲ)初始浓度较高的情况下更为明显。(4)通过FTIR和XPS分析结果表明:在NZVI-SBC吸附Sb(Ⅲ)的过程中,Sb(Ⅲ)与NZVI-SBC表面的FeOOH发生了络合作用,与腐蚀(corrsion)的NZVI发生了离子交换反应。在NZVI被腐蚀(corrsion)的过程中同时将Sb(Ⅲ)氧化成Sb(V),XPS分析表明NZVI-SBC所吸附的锑一部分以Sb(Ⅲ)的氧化物形式存在,另一部分以Sb(V)的氧化物形式存在。
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