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【摘要】 在竹炭管上负载羟基氧化铁制备出一种新型的除磷吸附剂，利用XRD，FTIR，SEM对载β-FeOOH竹炭管进行表征检测。通过XRD分析，竹炭管表面物质出现β-FeOOH的特征衍射峰；通过IR分析，竹炭管表面物质具有-OH，O-H-Cl及Fe-O-Fe的特征峰；通过SEM分析，竹炭管表面物质为纺锤形，证明载体表面物质为β-FeOOH。
【关键词】 富营养化，竹炭管，羟基氧化铁
目前，水体富营养化、藻类大量繁殖是我国湖泊等景观水体的主要水质问题之一[1]。过量受纳植物营养污染物是导致富营养化的根本，其中影响最大的为氮和磷这两种元素[2，3]。就淡水水体的富营养化而言，磷的影响比氮的影响可能更重要，由于藻类可利用的氮的量远大于可利用的磷的量，因此磷常被作为富营养化的限制因子。因此削减营养盐浓度，尤其是磷元素是控制藻类繁殖的重要手段。
从除磷机理来看，物化法和生化法是目前应用最普遍的两种除磷技术。其中物化法又可分为化学沉淀、离子交换、晶析、吸附等。近几年关注较多的是吸附法[4-6]。目前采用的吸附材料一般以粉末态或颗粒态为主，将其投入水体很难取出，一定条件下，水体污染物仍然会释放，不能彻底去除污染物，故其在实际水体中的应用受到了限制。
竹炭管具有比表面积大，吸附性能强的特点，羟基氧化铁具有稳定的理化性质和较高的比表面积，对自然环境介质中的污染物起着重要的净化作用，通常在低pH范围内，溶液中的H+与其结构中的O2 -有极强的亲和力， Fe3+释放至溶液中，使其溶解度增大，吸附能力增强[7-9]。因此利用管状的竹炭管负载β-FeOOH则可实现其对磷的吸附及在水体的应用。
1.实验内容
1.1实验仪器及测定方法
仪器：德国Bruker-AXS公司的D8 ADVANCE 多晶X射线衍射仪，美国Varian公司的 Cary 670-FTIR + 610-FTIR Microscope显微红外光谱仪，荷兰Philips公司的Xl-30 ESEM环境扫描电子显微镜（SEM）与日本日立公司的S-4800场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）。
1.2载β-FeOOH竹炭管的制备
用蒸馏水对竹炭管进行清洗，除去表面附着物，将竹炭管放入1%的盐酸溶液中浸泡24h，再将其放入超声波清洗器中进行清洗30min，晒干、晾干或者在60～105℃下烘0.5～5小时烘干备用。取1000mL的大口聚乙烯瓶，配制0.1mol/L的FeCl3溶液，取500mLFeCl3溶液于聚乙烯瓶中，将载体置于其内，放入水浴锅内，液面没过FeCl3溶液，在40℃条件下水解6d，最后将载体取出用蒸馏水冲洗，放置25～35℃的烘箱内烘干，剩余溶液在3000r/min的离心机中离心30min，测定上清液中Fe3+的量M上清液，底部固体即β-FeOOH，将其放入25～35℃的烘箱内烘干，取出在其中加入足够量的稀盐酸反应完全后，测定该溶液中Fe3+的量M固体，通过公式（1）计算出载铁量。
M载铁量=2.8g-M上清液-M固体 （1）
2.结果与讨论
2.1载β-FeOOH竹炭管的表征
2.1.1XRD图谱分析
3 .FTIR图谱分析
载β-FeOOH竹炭管的红外光谱如图2。铁的羟基氧化物的FTIR吸收光谱的特征峰来自于Fe-OH的弯曲振动和Fe-O的伸缩振动，区分不同羟基氧化物的特征吸收峰主要来自位于FeOOH群体中OH面内、外的弯曲振动。在最大波长3400～3340cm-1处的宽峰属于-OH伸缩振动吸收峰，其相邻位置1538cm-1处的振动峰属于H-O-H的弯曲振动峰，位于波长846和668cm-1处是β-FeOOH的O-H-Cl的特征吸收峰，位于421cm-1处的伸缩振动峰是Fe-O-Fe的特征峰。由产物对应的红外光谱线可以证明该物质为FeOOH。
图2 载β-FeOOH竹炭管的IR图谱
Fig.2 The IR patterns of charcoal tube coted β-FeOOH
4.SEM图谱及元素组成分析
未经处理的竹炭管表面的形貌如图3所示，经1%盐酸浸泡24h后的竹炭管表面的形貌如图5所示。对比可以发现，未经处理的竹炭管经显微镜放大10000倍后，表面仍很平滑，没有很明显的孔洞；而经1%盐酸浸泡24h后的竹炭管经显微镜放大1000倍，由图5可以很明显的看出竹炭管表面有大量的孔洞，有利于对铁的吸附，实现载铁过程。通过EDS图谱分析比较载β-FeOOH前后竹炭管表面元素变化，由图4和图9可以看出，负载前竹炭管含有C，O，Si三种元素，负载后竹炭管表面增加了Fe，Cl元素，说明铁被载到竹炭管上。
通过水解过程在竹炭管表面所形成矿物经不同比例放大后的形貌如图6，7，8所示。由图6可以看出，经酸泡后竹炭管表面形成较均匀的孔洞；由图7可以看出，大量的矿物质负载在竹炭管的孔洞内；由图8可以看出，矿物颗粒为纺锤形，表面粗糙，颗粒大小约为200nm，长宽比约为5。Kan[13]和Ishikawa[14-17]等人将氯化铁溶液加热陈化也得到具有相同形貌的β-FeOOH颗粒。
5.结论
通过XRD分析，竹炭管表面物质在11.84°、16.8°、26.7°、35.2°及56.1°等处出现β-FeOOH的特征衍射峰；通过IR分析，竹炭管表面物质具有-OH，O-H-Cl及Fe-O-Fe的特征峰；通过SEM分析，竹炭管表面物质为纺锤形，表面粗糙，颗粒大小约为200nm，长宽比约为5，证明竹炭管表面物质为β-FeOOH。
参考文献
[1]金根东.我国湖泊富营养化研究现状[J].现代农业科技，2008，（16）：334-336.
[2]周志平，徐学良.水体富营养化形成机制及其防治措施的研究[J].吉林水利.2005，（1）：5-7.
[3]Edmondon.W.T.Eutrophition Encyclopedia of Environmental Biology [M].New York： Acsdemic Press，1995：697-703.
[4]金相灿等.中国湖泊环境（第三册）[M].海洋出版社.1995：283-317.
[5]J.A.W.Paul，I.l.Eunice.Agricultural nutrient inputs to rivers and ground waters in the UK： policy， environ -mental management and research needs，The Science of the Total Environment，2002：9-24.
[6]贾晓燕.废水除磷技术的研究进展[J].重庆环境科学，2003，25（12）：191-192.
[7] 熊慧欣，周立祥.不同晶型羟基氧化铁（FeOOH）的形成及其在吸附去除Cr（VI）上的作用[J].岩石矿物学杂志， 2008，27（6）： 559 -566.
[8] 许光眉，施周，邓军.石英砂负载氧化铁的表征及其除锑吸附性能研究[J].环境科学学报， 2006， 26（4）； 607 -612.
[9] 许光眉，施周，邓军.石英砂负载氧化铁除锑、磷的XRD、FTIR以及XPS研究[J].环境科学学报， 2007， 27（3）： 402 -407.
【关键词】 富营养化，竹炭管，羟基氧化铁
目前，水体富营养化、藻类大量繁殖是我国湖泊等景观水体的主要水质问题之一[1]。过量受纳植物营养污染物是导致富营养化的根本，其中影响最大的为氮和磷这两种元素[2，3]。就淡水水体的富营养化而言，磷的影响比氮的影响可能更重要，由于藻类可利用的氮的量远大于可利用的磷的量，因此磷常被作为富营养化的限制因子。因此削减营养盐浓度，尤其是磷元素是控制藻类繁殖的重要手段。
从除磷机理来看，物化法和生化法是目前应用最普遍的两种除磷技术。其中物化法又可分为化学沉淀、离子交换、晶析、吸附等。近几年关注较多的是吸附法[4-6]。目前采用的吸附材料一般以粉末态或颗粒态为主，将其投入水体很难取出，一定条件下，水体污染物仍然会释放，不能彻底去除污染物，故其在实际水体中的应用受到了限制。
竹炭管具有比表面积大，吸附性能强的特点，羟基氧化铁具有稳定的理化性质和较高的比表面积，对自然环境介质中的污染物起着重要的净化作用，通常在低pH范围内，溶液中的H+与其结构中的O2 -有极强的亲和力， Fe3+释放至溶液中，使其溶解度增大，吸附能力增强[7-9]。因此利用管状的竹炭管负载β-FeOOH则可实现其对磷的吸附及在水体的应用。
1.实验内容
1.1实验仪器及测定方法
仪器：德国Bruker-AXS公司的D8 ADVANCE 多晶X射线衍射仪，美国Varian公司的 Cary 670-FTIR + 610-FTIR Microscope显微红外光谱仪，荷兰Philips公司的Xl-30 ESEM环境扫描电子显微镜（SEM）与日本日立公司的S-4800场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）。
1.2载β-FeOOH竹炭管的制备
用蒸馏水对竹炭管进行清洗，除去表面附着物，将竹炭管放入1%的盐酸溶液中浸泡24h，再将其放入超声波清洗器中进行清洗30min，晒干、晾干或者在60～105℃下烘0.5～5小时烘干备用。取1000mL的大口聚乙烯瓶，配制0.1mol/L的FeCl3溶液，取500mLFeCl3溶液于聚乙烯瓶中，将载体置于其内，放入水浴锅内，液面没过FeCl3溶液，在40℃条件下水解6d，最后将载体取出用蒸馏水冲洗，放置25～35℃的烘箱内烘干，剩余溶液在3000r/min的离心机中离心30min，测定上清液中Fe3+的量M上清液，底部固体即β-FeOOH，将其放入25～35℃的烘箱内烘干，取出在其中加入足够量的稀盐酸反应完全后，测定该溶液中Fe3+的量M固体，通过公式（1）计算出载铁量。
M载铁量=2.8g-M上清液-M固体 （1）
2.结果与讨论
2.1载β-FeOOH竹炭管的表征
2.1.1XRD图谱分析
3 .FTIR图谱分析
载β-FeOOH竹炭管的红外光谱如图2。铁的羟基氧化物的FTIR吸收光谱的特征峰来自于Fe-OH的弯曲振动和Fe-O的伸缩振动，区分不同羟基氧化物的特征吸收峰主要来自位于FeOOH群体中OH面内、外的弯曲振动。在最大波长3400～3340cm-1处的宽峰属于-OH伸缩振动吸收峰，其相邻位置1538cm-1处的振动峰属于H-O-H的弯曲振动峰，位于波长846和668cm-1处是β-FeOOH的O-H-Cl的特征吸收峰，位于421cm-1处的伸缩振动峰是Fe-O-Fe的特征峰。由产物对应的红外光谱线可以证明该物质为FeOOH。
图2 载β-FeOOH竹炭管的IR图谱
Fig.2 The IR patterns of charcoal tube coted β-FeOOH
4.SEM图谱及元素组成分析
未经处理的竹炭管表面的形貌如图3所示，经1%盐酸浸泡24h后的竹炭管表面的形貌如图5所示。对比可以发现，未经处理的竹炭管经显微镜放大10000倍后，表面仍很平滑，没有很明显的孔洞；而经1%盐酸浸泡24h后的竹炭管经显微镜放大1000倍，由图5可以很明显的看出竹炭管表面有大量的孔洞，有利于对铁的吸附，实现载铁过程。通过EDS图谱分析比较载β-FeOOH前后竹炭管表面元素变化，由图4和图9可以看出，负载前竹炭管含有C，O，Si三种元素，负载后竹炭管表面增加了Fe，Cl元素，说明铁被载到竹炭管上。
通过水解过程在竹炭管表面所形成矿物经不同比例放大后的形貌如图6，7，8所示。由图6可以看出，经酸泡后竹炭管表面形成较均匀的孔洞；由图7可以看出，大量的矿物质负载在竹炭管的孔洞内；由图8可以看出，矿物颗粒为纺锤形，表面粗糙，颗粒大小约为200nm，长宽比约为5。Kan[13]和Ishikawa[14-17]等人将氯化铁溶液加热陈化也得到具有相同形貌的β-FeOOH颗粒。
5.结论
通过XRD分析，竹炭管表面物质在11.84°、16.8°、26.7°、35.2°及56.1°等处出现β-FeOOH的特征衍射峰；通过IR分析，竹炭管表面物质具有-OH，O-H-Cl及Fe-O-Fe的特征峰；通过SEM分析，竹炭管表面物质为纺锤形，表面粗糙，颗粒大小约为200nm，长宽比约为5，证明竹炭管表面物质为β-FeOOH。
参考文献
[1]金根东.我国湖泊富营养化研究现状[J].现代农业科技，2008，（16）：334-336.
[2]周志平，徐学良.水体富营养化形成机制及其防治措施的研究[J].吉林水利.2005，（1）：5-7.
[3]Edmondon.W.T.Eutrophition Encyclopedia of Environmental Biology [M].New York： Acsdemic Press，1995：697-703.
[4]金相灿等.中国湖泊环境（第三册）[M].海洋出版社.1995：283-317.
[5]J.A.W.Paul，I.l.Eunice.Agricultural nutrient inputs to rivers and ground waters in the UK： policy， environ -mental management and research needs，The Science of the Total Environment，2002：9-24.
[6]贾晓燕.废水除磷技术的研究进展[J].重庆环境科学，2003，25（12）：191-192.
[7] 熊慧欣，周立祥.不同晶型羟基氧化铁（FeOOH）的形成及其在吸附去除Cr（VI）上的作用[J].岩石矿物学杂志， 2008，27（6）： 559 -566.
[8] 许光眉，施周，邓军.石英砂负载氧化铁的表征及其除锑吸附性能研究[J].环境科学学报， 2006， 26（4）； 607 -612.
[9] 许光眉，施周，邓军.石英砂负载氧化铁除锑、磷的XRD、FTIR以及XPS研究[J].环境科学学报， 2007， 27（3）： 402 -407.