壳聚糖负载水合氧化铁凝胶球的制备及其吸附As(Ⅲ)研究

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地下水三价砷[As(Ⅲ)]污染是一个全球性环境问题,由于它的高毒性和生物富集性,严重威胁着人体健康和生态环境。吸附法除As(Ⅲ)具有成本低、效率高等优点,备受青睐。水合氧化铁(HFO)是一种高效廉价的除As(Ⅲ)吸附剂,但粉末态HFO不利于固液分离和柱吸附应用。以壳聚糖(CS)为载体的负载型HFO吸附剂近年受到广泛关注,但目前报道的CS负载HFO吸附剂载Fe量较低,吸附As(Ⅲ)性能不理想。本文分别采用包埋法和均相法两种负载方法制得毫米级CS载HFO凝胶球CS/HFO和CS-HFO,并经过热烘干和真空冷冻干燥(冻干)处理得到OD@CS/HFO和FD@CS/HFO,OD@CS-HFO和FD@CS-HFO四种吸附剂以及对其进行了结构表征。系统研究了吸附剂在含As(Ⅲ)溶液中的吸附特性,包括吸附动力学、吸附等温线、溶液p H、投加剂量和竞争物质影响,考察了吸附剂循环利用性能并模拟As(Ⅲ)污染地下水进行了柱吸附研究,最后探讨了As(Ⅲ)吸附机理。研究成果对地下水砷污染修复具有重要意义。主要结论如下:(1)材料表征结果表明:四种吸附剂材料中HFO均为无定型结构;热烘干法处理的吸附剂材料结构密实,而冻干处理的材料内部存在孔道,且均相法负载的FD@CS-HFO存在蜂窝状结构;相比于热烘干处理,冻干处理的吸附剂相对比表面积均有所提高;均相法负载的HFO比包埋法在CS载体径向分布更均匀。(2)静态吸附As(Ⅲ)实验表明:四种吸附剂在p H值4-9范围内具有比较稳定的适用性;升高温度可加快初始吸附速率,但对吸附As(Ⅲ)平衡时间和平衡吸附量影响不显著;冻干处理材料吸附As(Ⅲ)能力优于热烘干材料,特别在冻干处理下的FD@CS/HFO和FD@CS-HFO对As(Ⅲ)的饱和吸附量分别为58.96mg/g和61.80mg/g;H2PO4-和SiO32-对As(Ⅲ)吸附有显著抑制影响;四种吸附剂具有良好的循环利用性能,且均相法比包埋法材料结构更稳定,循环利用过程中质量损失更小。(3)柱吸附研究表明:相比于热烘干材料OD@CS/HFO和OD@CS-HFO,冻干干燥条件下的FD@CS/HFO和FD@CS-HFO对模拟As(Ⅲ)污染地下水柱吸附性能显著提升,且均相法FD@CS-HFO是包埋法FD@CS/HFO处理量22.5倍。(4)吸附机理研究表明:As(Ⅲ)的吸附为单层化学吸附且不同负载方法下材料的配位类型不同,包埋法吸附剂中HFO表面羟基(Fe-OH)和As(Ⅲ)上羟基(As-OH)仅发生双齿配位反应,且As(Ⅲ)在吸附剂表面发生了部分氧化;然而,均相法吸附剂既发生了单齿配位反应又发生了双齿配位反应,且吸附过程不存在As(Ⅲ)氧化过程。
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