【摘 要】
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重金属污染问题目前已成为世界性问题,与有机污染物相比,重金属对环境的污染范围更大,危害性更强。而重金属铅作为高毒、高危害的代表元素之一,并且在工业生产过程中的排放量逐年增加,已被我国及其他国家地区作为重点监控与限制排放的污染物。已有研究表明,铁锰氧化物具备较强的氧化性和吸附性,对多种污染物在环境中的迁移和转化具有重要影响。本研究首先利用TEM、XRD和XPS对铁锰氧化物及其吸附Pb(Ⅱ)后的样品进
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重金属污染问题目前已成为世界性问题,与有机污染物相比,重金属对环境的污染范围更大,危害性更强。而重金属铅作为高毒、高危害的代表元素之一,并且在工业生产过程中的排放量逐年增加,已被我国及其他国家地区作为重点监控与限制排放的污染物。已有研究表明,铁锰氧化物具备较强的氧化性和吸附性,对多种污染物在环境中的迁移和转化具有重要影响。本研究首先利用TEM、XRD和XPS对铁锰氧化物及其吸附Pb(Ⅱ)后的样品进行表征;然后通过改变各个影响因素进行铁锰氧化物吸附水中Pb(Ⅱ)的静态实验;再利用动力学模型、等温吸附模型和热力学模型探讨了其反应机理;最后通过柱实验模拟铁锰氧化物在土壤地下水环境中的应用。具体结论如下:(1)TEM的图像显示铁锰氧化物材料为不规则的细小颗粒,有明显的团聚现象,表现出较强的吸附能力。XRD的结果表明铁锰氧化物的结晶度很低,为非晶态结构。XPS分析得出铁锰氧化物的主要成分为二氧化锰Mn O2和三氧化二铁Fe2O3的混合物,铁锰氧化物材料中锰Mn与铁Fe比例为1:4.16。铁锰氧化物表面的羟基与Pb(Ⅱ)发生静电作用和表面络合作用,从而达到吸附去除Pb(Ⅱ)的目的。(2)分别将0.0400g铁锰氧化物材料投加进初始浓度分别为10mg·L-1、20mg·L-1、30mg·L-1、50mg·L-1、80mg·L-1、100mg·L-1、120mg·L-1、150mg·L-1、180mg·L-1、200mg·L-1的Pb(Ⅱ)溶液中,经24h吸附反应后吸附率分别为98.63%、98.57%、94.85%、87.63%、67.70%、58.37%、50.34%、41.20%、34.47%、31.86%。(3)在不同p H的反应条件下,铁锰氧化物吸附Pb(Ⅱ)的吸附率有显著差异,当p H为5.0时吸附效果最好,而p H小于5.0的环境条件会抑制铁锰氧化物对Pb(Ⅱ)的吸附。(4)铁锰氧化物的投加量对吸附率和吸附量的影响较大,投加量越大吸附率越高,但吸附量逐渐降低。(5)在腐殖酸浓度对铁锰氧化物吸附Pb(Ⅱ)的影响实验中,当腐殖酸浓度由0mg·L-1增加至20mg·L-1时,Pb(Ⅱ)的吸附率在出现小幅度的降低后又升高,腐殖酸浓度对于铁锰氧化物材料吸附Pb(Ⅱ)的吸附率影响较小。(6)实验温度从15℃升高到55℃时,铁锰氧化物材料对Pb(Ⅱ)的吸附逐渐增大,当环境温度为55℃时,铁锰氧化物在初始浓度浓度为100mg·L-1的Pb(Ⅱ)溶液中平衡吸附量是94.53mg·g-1。(7)通过准一级动力学、准二级动力学和内扩散模型对吸附过程进行拟合,准二级动力学方程更适合铁锰氧化物吸附Pb(Ⅱ)的过程,该吸附过程主要为化学吸附,且粒子扩散不是吸附过程的主要限速步骤,而化学吸附可能是控制吸附过程的限速步骤。(8)铁锰氧化物吸附Pb(Ⅱ)的过程符合Langmuir等温吸附模型,因此铁锰氧化物吸附Pb(Ⅱ)的过程为单分子层吸附,55℃时的理论最大吸附量为156.25mg·g-1。(9)通过对不同浓度的Pb(Ⅱ)溶液吸附过程进行热力学模型分析,由(35)H、(35)G和(35)S的值可知反应过程为自发的吸热过程,且铁锰氧化物吸附Pb(Ⅱ)的过程会增加固-液接触面处的混乱度。通过阿伦尼乌斯公式计算得出该吸附反应的活化能Ea为30.56k J/mol。(10)在动态吸附实验中,柱子内铁锰氧化物材料填加厚度分别为1.00cm、2.00cm、3.00cm,分别在第326个PV、594个PV和778个PV之后达到吸附饱和阶段,随着铁锰氧化物材料填加的厚度增加,吸附饱阶段产生滞后现象。铁锰氧化物对于Pb(Ⅱ)的吸附效果较好,能有效降低水体中Pb(Ⅱ)的含量,可以应用于地下水体中Pb(Ⅱ)元素污染的修复。为进一步研究铁锰氧化物去除水溶液中的Pb(Ⅱ)提供了切实可靠的理论实践依据。
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