不同水滑石对水体中砷（As-(5+)）的吸附去除_麻梦梦.pdf

-86-第46卷第1期 非金属矿 Vol.46 No.12023年1月 Non-Metallic Mines January,2023不同水滑石对水体中砷（As5+）的吸附去除麻梦梦 周 丹*王起晗 黄 艺(成都理工大学 生态环境学院，四川 成都 610059)摘 要 采用共沉淀法制备了镁铝水滑石（Mg-Al LDHs）、镁铁水滑石（Mg-Fe LDHs）和镁锰水滑石（Mg-Mn LDHs）3 种水滑石，利用 X 射线衍射（XRD）仪和傅里叶红外光谱（FTIR）仪表征了 3 种水滑石的基本性质，通过等温吸附试验和吸附动力学试验研究了不同水滑石材料对水体中砷（As5+）的去除性能。结果表明，3 种水滑石对水中 As5+的吸附过程均符合 Langmuir 吸附模型及准二级动力学模型，拟合结果显示，Mg-Fe LDHs对As5+的吸附量最大，为202.429 mg/g；Mg-Mn LDHs对As5+的吸附速率最快，为0.007 150 mg/(gmin)。通过吸附前后FTIR表征试验，结合水滑石特殊的结构性质，推断水滑石对 As5+的吸附机理为砷酸根扩散至水滑石层状孔隙后，水滑石层板阳离子与砷酸根发生表面络合。关键词 水滑石；砷（As5+）；吸附；环境水体中图分类号：X52；O647.3 文献标志码：A 文章编号：1000-8098(2023)01-0086-05Adsorption and Removal of Arsenic(As5+)in Water by Different HydrotalcitesMa Mengmeng Zhou Dan*Wang Qihan Huang Yi(School of Ecological Environment,Chengdu University of Technology,Chengdu,Sichuan 610059)Abstract In this study,three different hydrotalcites(Mg-Al LDHs,Mg-Fe LDHs and Mg-Mn LDHs)were prepared by the co-precipitation method.The basic properties of the three hydrotalcites were characterized by XRD and FTIR.The removal performance of different hydrotalcite materials for As5+in water was studied by the isothermal adsorption test and adsorption kinetics test.The experimental results showed that the isothermal adsorption models of the three hydrotalcites were in line with the Langmuir adsorption model,and the adsorption kinetic model was more in line with the quasi-second-order kinetic model.The model fitting results showed that the adsorption capacity of Mg-Fe LDHs for As5+was the largest,up to 202.429 mg/g.The adsorption rate of As5+on Mg-Mn LDHs was the fastest,up to 0.007 150 mg/(gmin).By FTIR spectrum characterization test before and after adsorption,combined with the special structural properties of hydrotalcite,it is concluded that the adsorption mechanism of hydrotalcite for As5+was that after the diffusion of arsenate to the layered pores of hydrotalcite,the surface complexation of hydrotalcite lamellar cations and arsenate occurred.Key words hydrotalcite;arsenic(As5+);adsorption;environmental water 收稿日期：2022-12-02基金项目：四川省科技计划项目（2021JDTD0013，2021YFQ0066）；珠峰科学研究计划（2020ZF11405）。*通信作者，Tel:18080934252；E-mail:。重金属污染物可通过食物链在动植物体内高度富集后进入人体，造成不可逆的危害1。矿山开采、金属冶炼活动增多及含砷防腐剂和除草剂大量使 用使环境中砷污染日益严重2，因此亟需寻求低成本、高效率的除砷方法。目前常用除砷方法有化学沉淀法、离子交换法、生物法和吸附法等。这些方法适用条件和优缺点不同。化学沉淀法中砷酸离子（AsO43-）与钙离子（Ca2+）发生化学反应生成砷酸钙，但砷酸钙碳化过程中会析出砷，对环境造成二次污染3。王鸣涛4利用新型阴离子交换树脂 MIEX-DOC 去除水样中 As5+，MIEX-DOC 对 0.1 mg/L 高砷水除砷效率均达到 50%以上，但此方法成本较高，所需配套设备多，较少应用于饮用水方面5。利用生物法处理砷污染水体有较好的应用前景，但是存在微生物培养周期长，某些特殊微生物培养条件苛刻的缺陷6。从目前饮用水除砷的研究进展来看，除砷技术逐渐向成本低、容易制备、生化稳定等趋势发展7。吸附法具有去除效率高，操作简便，成本较低等优点，广泛应用于砷污染治理。吸附能力强、再生性能好、经济效益高的吸附材料日益受到人们的关注。水滑石是一类合成简单、廉价无毒的无机矿物吸附剂，由两种或两种以上金属元素组成，化学组成通式为 M2+1-xM3+x (OH)2x+An-(x/n)mH2O，式中：M2+和 M3+分别为二价和三价金属阳离子，An-为 n 价可交换阴离子。水滑石具备特殊的层状结构，吸附性能良好，运行和操作成本低，常被用于重金属污染治理8。目前，水滑石主要应用于铅、铬、镉及氟污染治理，用于砷污染的吸附治理研究较少，且已有研究中水滑石种类较单一。本试验以水体中五价砷（As5+）为目标污染物，-87-1.2.2 等温吸附试验：配置质量浓度梯度为 10 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L 的含 As5+溶液各 20 mL，在 5 个浓度梯度中分别加入 10 mg 的 3 种不同 LDHs，每个组合设置 3 组平行试验。在 25、200 r/min 的振荡器中振荡 12 h 后，以 5 000 r/min 离心2 min，在 0.45 m 针孔滤膜过滤并稀释，通过 Nexion 1000 型电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS）测定上清液中砷浓度。采用 Langmuir 和 Freundlich 等温吸附模型对试验数据进行拟合，并分别计算 3 种 LDHs 的最大吸附量。1.2.3 吸附动力学试验：设置吸附动力学试验中时 间 梯 度 分 别 为 5 min、10 min、20 min、30 min、40 min、60 min、120 min、180 min、240 min、360 min、480 min、600 min、720 min、1 440 min、2 880 min，在15 组试验中分别加入 10 mg 3 种 LDHs，在 25、200 r/min 的振荡器中振荡，定时取出对应样品，0.45 m 针孔过滤膜过滤稀释后用 ICP-MS 测定上清液中砷的浓度。对试验数据进行拟合得到吸附动力学模型，并分别计算 3 种 LDHs 的吸附速率。1.2.4 砷浓度测定方法：利用 ICP-MS 检测 As5+标准溶液中的砷浓度。样品经 0.45 m 过滤后稀释至 10-9级别后上机测定。As5+标准曲线，见图 1。从图 1 可看出，R2达到 0.999 09，线性拟合度高，可用于样品As5+的测定。图1 As5+液标准曲线1.2.5 表 征 方 法：采 用 Empyrean 型 X 射 线 衍 射（XRD）仪对 3 种 LDHs 样品进行物相分析，扫描范围为 5 85；采用 FT-MIR 2-6 型傅里叶红外光谱仪（FTIR）对吸附前后 3 种 LDHs 进行红外表征，分析LDHs 的层间阴离子及成键类型，以及吸附前后表面官能团变化。2 结果与讨论2.1 表征分析2.1.1 XRD 分析：3 种 LDHs 的 XRD 图谱，见图 2。从图 2 可看出，3 种 LDHs 样品在 2 约为 11、23、34、38、45、60 和 62 处出现了明显的尖锐峰，与利用Mg-Al、Mg-Fe和Mg-Mn 3种水滑石作为吸附剂，通过等温吸附试验和吸附动力学试验综合对比三者的吸附量与吸附速率，探究不同水滑石对水体中 As5+的吸附效果，并通过傅里叶红外光谱（FTIR）对 3 种水滑石吸附前后的样品进行分析表征，揭示水滑石的除砷机理，为水体砷污染的吸附治理提供参考。1 试验部分1.1 原料及仪器设备 无水氯化镁、六水合氯化铝、九水硝酸铁、硫酸锰、无水乙醇、浓硝酸、过氧化氢溶液、氢氧化钠（片状）、五价砷标准溶液，均为分析纯，试验用水为超纯水。DZF-6050 型鼓风干燥箱，BSA224S 型电子天平，SHZ-C 型恒温水浴振荡器。1.2 试验方法1.2.1 3 种水滑石（LDHs）的制备：不同 LDHs 制备方法，见表 1。按表 1 称取固定质量试剂加入 200 mL去离子水中，搅拌均匀得到混合盐溶液。配制不同碱溶液作为沉淀剂。采用不同混合方式将混合盐溶液和碱溶液混合，并不断剧烈搅拌保证二者充分反应，同时监测溶液的 pH 值变化，当溶液 pH 到达设定值左右时停止碱溶液滴定并且保持剧烈搅拌 30 min，得到充分反应后的溶液，将烧杯用保鲜膜封口。制备Mg-Al LDHs 和 Mg-Mn LDHs 的烧杯放置在烘箱中65 加热老化 18 h 左右；制备 Mg-Fe LDHs 的烧杯放置在水浴加热器中100 水浴加热4 h进行晶化反应。老化或晶化后的浑浊溶液冷却到室温后进行抽滤，抽滤得到的固体置于 65 烘箱中干燥 24 h。将干燥后的固体研磨筛分，收集粒径在 0.0260.075 mm 的固体粉末。表 1 不同 LDHs 制备方法水滑石种类原料配比沉淀剂混合方式pHMg-Al LDHs无水氯化镁、六水合氯化铝、氢氧化钠n(Mg)n(Al)=31，5.640 4 g MgCl2、4.800 g AlCl36H2O 4.00 g NaOH溶于100 mL去离子水的碱溶液混合盐溶液和碱溶液按照17 的滴速缓慢滴入烧杯中1012 Mg-Fe LDHs无水氯化镁、九水硝酸铁、氢氧化钠n(Mg)n(Fe)=31，5.640 4 g MgCl2、8.081 g Fe(NO3)39H2O 4.00 g NaOH溶于100 mL去离子水的碱溶液混合盐溶液中缓慢加入碱溶液9.5 Mg-Mn LDHs无水氯化镁、硫酸锰、氢氧化钠、碳酸钠、过氧化氢溶液n(Mg)n(Mn)=31，5.640 4 g MgCl2、3.021 g MnSO44.00 g NaOH 和 1.06 g Na2CO3溶于 100 mL 去离子水后加入 0.8 mL 过氧化氢的混合碱溶液混合盐溶液和碱溶液按照15 的滴速缓慢滴入烧杯中910 不同水滑石对水体中