水热合成铈锰双金属氧化物及其除锑效能与机制研究

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锑是一种和砷性质相似的类金属元素,对生物体有慢性毒性和致癌性。持续接触锑化合物,会导致人体产生腹泻、头痛、胸闷、腹部绞痛、心率失常和神经损伤等不良反应。随着含锑产品的大量生产使用和其他自然因素,全球水体锑污染问题日益严峻,锑在水体中的存在形式有Sb3+和Sb5+,其中Sb3+的毒性是Sb5+的十倍。由于中国是全球锑矿储备和开采量第一的国家,大量的锑矿开采和生产含锑工业品产生的废水不当排放进入水体,导致锑污染愈发严重,所以解决我国水体锑污染问题刻不容缓。常用于处理含锑污水的方法有吸附法、化学沉淀法、离子交换法和膜分离法等。吸附法具有操作简单、污泥产量低、对污染物选择性高和处理高效等优点,是处理水体锑污染最有前景的方法之一。本研究研制了一种铈锰双金属氧化物吸附剂,对制备条件进行优化、通过多种微观表征分析技术和批式实验,对吸附剂去除水体锑污染的效能和机制进行了系统研究,得到如下结果:(1)分别以过硫酸钠、高锰酸钾和过氧化氢作为氧化剂,制备了一系列铈锰双金属氧化物,发现以过硫酸钠为氧化剂、铈锰物质的量比10:1为制备条件制得的吸附剂对锑的吸附效果最佳。铈锰双金属氧化物主要以无定形的形态存在,是由颗粒直径30-50 nm的颗粒团聚而成的介孔材料,表面粗糙多孔,拥有较高的比表面积(107.3 m2/g),等电点为6.45。(2)铈锰双金属氧化物能快速、有效的去除水体的Sb3+和Sb5+,在p H为7.0±0.1时,对Sb3+和Sb5+的最大吸附量分别为260.6 mg/g和101.1 mg/g,高于二氧化锰的95.6mg/g和35.4mg/g,和二氧化铈的224.4 mg/g和96.2 mg/g,说明铈锰双金属氧化物的铈氧化物和锰氧化物组分之间可产生协同效应,有效提高对锑的去除能力。准二级动力学更适用于描述铈锰双金属氧化物对Sb3+和Sb5+的吸附动力学过程,该过程为化学吸附。铈锰双金属氧化物对Sb3+在较宽的p H范围内均有较高的去除效果,Sb5+的去除效果随着溶液p H的上升而降低;离子强度对锑去除效果的影响不大。共存离子对吸附影响的顺序为:PO43->Si O32->CO32->SO42-。(3)研究了铜锑共存体系下,铈锰双金属氧化物对目标污染物的吸附行为。发现铈锰双金属氧化物在Sb3+和Cu2+共存体系的吸附既有竞争又有协同吸附效应;在Sb5+和Cu2+共存体系的吸附具有协同吸附效应。总的来说,铈锰双金属氧化物在铜-锑双元体系的吸附能力相比于单一的五价锑和铜体系更优,对处理多元污染物废水有很好的应用前景。(4)铈锰双金属氧化物去除Sb5+的机制为:溶液中的Sb5+首先扩散到固液界面,之后和吸附剂表面的羟基发生配位交换,形成内配位络合物从溶液中去除;去除Sb3+主要包括三部分:首先,水体中的Sb3+被吸附到铈锰双金属氧化物表面,接着表面的Ce4+和Mn4+将部分Sb3+氧化成Sb5+,生成的Sb5+、Ce3+和Mn2+可能直接附着在吸附剂表面,也可能释放到溶液中,最后部分还原溶解的离子可以再次被铈锰双金属氧化物吸附,形成稳定的内配位络合物。
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