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纳米四氧化三铁对Cr(VI)溶液吸附效率的研究

百纳文秘网  发布于:2021-06-11 08:03:05  分类: 农业农村 手机版


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摘 要:纳米四氧化三铁由于其具备了比表面积大、反应活性高等优点,同时具有磁性特征,再加上其再生简便、成本低和高效等优点,使得纳米四氧化三铁这种优异吸附剂受到了越来越多的关注。该研究采用共沉淀方法制备纳米四氧化三铁,考察不同pH、时间、初始浓度对纳米四氧化三铁去除Cr(VI)离子的影响。结果表明:pH为7.0,温度为25 ℃时,吸附12 h后,Cr(VI)的去除率可达99.4%,并通过吸附曲线计算出纳米四氧化三铁对Cr(VI)离子的饱和吸附浓度为13.4 mg/g。研究表明:纳米四氧化三铁对Cr(VI)具有非常好的吸附效果,可广泛用于实际工程中的废水处理。

关键词:纳米四氧化三铁 Cr(VI) 去除率 饱和吸附

中图分类号:TQ1 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2015)09(b)-0031-02

金属铬广泛应用于电镀、纺织、印染、造纸、医药、冶炼、电解等行业,这些行业均产生大量的工业废水,由于不合理排放,经常导致严重的水质污染问题。铬在自然界中主要以Cr(VI)和Cr(III)两种形态存在[1],相对来说,Cr(VI)毒性较强,是Cr(III)的100倍,有致癌、致畸和致突变作用。如何治理Cr(VI)污染问题已经引起政府及环境工作者的關注和重视。传统修复Cr(VI)污染的传统方法主要有:吸附法、化学沉淀法、生物修复法等[2-4],但它们存在操作繁琐、成本高、效率低和二次污染等问题[5]。而其中,吸附方法由于其高效性和低选择性、且操作简单,一直沿用至今。常用的吸附剂有活性炭、粘土矿物质、天然和人造高分子材料、生物质等等[6]。但是再生成本高、效率低、操作困难等缺点制约了它们在实际工程中的应用。

近年来,纳米四氧化三铁作为一种新型吸附剂受到了越来越多的关注。它不但具备了纳米材料比表面积大、反应活性高等优点还结合了四氧化三铁的磁性特征,这使得重金属的回收利用得以简单实现,杜绝了二次污染等问题。再加上其再生简便、成本低和高效等优点,使得关于纳米四氧化三铁这种优异吸附剂的研究更加引人注目。该研究采用共沉淀方法制备纳米四氧化三铁,考察其对Cr(VI)溶液的处理效率。

1 材料与方法

药品:FeCl3·6H2O(天津科密欧),FeCl2·4H2O(北京化工厂),浓氨水(北京化工厂),Cr(VI)标准溶液(国家标物中心)仪器:磁力搅拌器AM-3250B(AUTO SCIENCE),pH计(HACH),可见分光光度计723C,恒温摇床(上海一恒)。

1.1 纳米四氧化三铁的制备

用化学共沉淀法制备Fe3O4纳米粒子[7-9]。将1.0 gFeCl2·4H2O和2.6 g FeCl3·6H2O用100 mL去离子水溶于250 mL三颈圆底烧瓶中,通氮气保护,加热至80 ℃后快速搅拌,同时缓慢滴加28 mL氨水,反应30 min后用永久磁铁吸附生成的Fe3O4颗粒,弃去上清液,残余物用去离子水和甲醇洗涤数次得黑色沉淀物Fe3O4颗粒。

1.2 pH、时间、初始浓度对Cr(VI)的吸附率的影响

选取不同的pH(2、3、4、5、6、7),时间(0.5 h、1 h、2 h、4 h、8 h、12 h和24h),初始浓度(40 mg/L、50 mg/L、60 mg/L、70 mg/L、80 mg/L、90 mg/L 和100 mg/L)),考察各不同条件下,纳米四氧化三铁对Cr(VI)溶液去除率的影响。

1.3 吸附曲线实验

吸附实验均在温度为(25±1)°C条件下进行,将0.4 mg吸附剂分别加入到10 mL Cr(VI)溶液中(浓度分别为40 mg/L、50 mg/L、60 mg/L、70 mg/L、80 mg/L、90 mg/L和100 mg/L),用0.1 M的HCl和NaOH溶液调整pH值。在摇床上震荡吸附(200 rmp),吸附达到平衡后,在外加磁场的作用下分离吸附剂。

2 结果和讨论

2.1 pH、时间、初始浓度对Cr(VI)的吸附率的影响

初始浓度为40 mg/L、温度为25 ℃、投加量为4 g/L时,考察了不同pH下纳米四氧化三铁对Cr(Ⅵ)溶液的吸附效率,由图1可见,pH对Cr(Ⅵ)离子的吸附效率有着很大的影响。当溶液pH从2.0增加到7.0时,Cr(Ⅵ)的去除率从33%增加到99%。这可能是因为随着pH的不断增大,吸附剂处于去质子化形式,纳米四氧化三铁表面的负电荷增加,与带正电荷的Cr(Ⅵ)离子之间反应,从而提高了去除率。

初始浓度为40 mg/L、温度为25 ℃、投加量为4 g/L时,考察了不同时间下纳米四氧化三铁对Cr(Ⅵ)溶液的吸附效率,由图2可见,当时间从0.5 h增加到12 h,Cr(Ⅵ)溶液的去除率从46.3%增至99.4%,从12 h到24 h,几乎没有什么变化,所以12 h为纳米四氧化三铁吸附Cr(Ⅵ)溶液的最佳时间。

pH为7.0、温度为25 ℃、投加量为4 g/L时,考察了不同初始浓度对纳米四氧化三铁对Cr(Ⅵ)溶液的吸附效率,由图3可见,当初始浓度由40 mg/L升到100 mg/L,Cr(Ⅵ)溶液的去除率是在降低的,特别是,当初始浓度超过60 mg/L时,Cr(Ⅵ)溶液的去除率陡然降低,主要是因为它超过了纳米四氧化三铁的饱和吸附浓度。

综上所述,Cr(Ⅵ)溶液的初始浓度为40 mg/L、温度为25 ℃、pH=7.0,12 h的条件下,纳米四氧化三铁对Cr(Ⅵ)溶液的去除效果最好,Cr(Ⅵ)的去除率达到99. 4%。

2.2 纳米四氧化三铁对Cr(Ⅵ)溶液的饱和吸附浓度

根据Langmuir吸附等温线 ,Qe为平衡时的吸附量(mg/g);Qm为最大吸附容量(mg/g);Ce为平衡时的溶液浓度(mg/L);K为Langmuir平衡参数。通过吸附等温曲线可计算出,纳米四氧化三铁对Cr(Ⅵ)溶液的最大吸附浓度为13.4 mg/g。

3 結语

当pH为7.0,温度为25 ℃时,吸附12 h后,Cr(VI)的去除率可达99.4%,并通过吸附曲线计算出纳米四氧化三铁对Cr(VI)的饱和吸附浓度为13.4 mg/g。研究表明,纳米四氧化三铁对Cr(VI)具有非常好的吸附效果,可广泛用于实际工程中的废水处理。

参考文献

[1]MytychP,Cies′laP,StasickaZ.Photo redox Processes in the Cr(Ⅵ)-Cr(Ⅲ)-Oxalate System and Their Environmental Relevance[J].Catal.Appl.B:Environ.,2008,59(3-4)∶161-170.

[2]HuJ,LoIM C,ChenG.Fast Removal and Recovery of Cr(Ⅵ) Using Surface-Modified Jacobsite(MnFe2O4)[J].Langmuir,2005,21(24)∶11173-11179.

[3]LaiKCK,LoIM C.Removal of Chromium(Ⅵ) by Acid-Washed Zero-Valent Iron under Various Ground water Geo chemistry Conditions[J].Environ.Sci.Technol.,2008,42(4):1238-1244.

[4]Shi T.H,Jia S.G,Chen Y,et al.Adsorption of Pb,Cr,Cu,Cd and Ni onto a va- nadium mine tailing from aqueous solution[J].Journal of Haz-ardous Materials,2009,169(1-3):838-846.

[5]Nassar N.N.Rapid removal and recovery of Pb from wastewater by magnetic nanoadsorbents[J].Journal of Hazard-ous Materials,2010,184(1-3):538-546.

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[7]KHALAFALLA S E, REIMERS G W. Magnetic liquids:US,3843540 [P].1974.

[8]WANG J-H,ZHENG S-R,SHAO Y,et al.Amino-functionalized Fe3O4@SiO2 core-shell magnetic nanomaterial as a novel adsorbent for aqueous heavy metals removal[J].Journal of Colloid and Interface Science, 2010(349):293-299.

[9]VALENZUELA R,FUENTES M C,PARRA C,el al. Influence of stirring velocity on the synthesis of magnetite nanoparticles (Fe3O4) by the co-precipitation method[J].Journal of Alloys and Compounds,2009(488):227-231.

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