生物矿化针铁矿吸附铬的机理探讨

NO
3
w as a lso
inv olved
in
the adso rptio n
and
that
the presence
of N O-3
might have pr omo ted t he ox idizat ion o f
Cr ( Ⅲ) . Contr ary to the literature r epo rts, the r esults show adso rptio n o f chr omium on BG w as non- unifor m.
2 实验结果与讨论
图 2 针铁矿的 SEM 二次电子像 Fig . 2 SEM mor pholog y o f biomineralized g oethite
1. 3 实验方法 Cr( Ⅲ) 溶 液 由蒸 馏水 和 Cr ( N O3 ) 3 配制。针
铁矿吸附Cr( Ⅲ) 的整个实验在空气 浴振荡器中进 行, 保持 体系的 充分 振荡。用 H N O 3 和 N aO H 调 节溶液 pH , 滤液中Cr( Ⅲ) 的含量由原子吸收光谱 仪测定。
确定。其他条件同 1. 3. 1。 1. 3. 3 等温吸附实验
Cr( Ⅲ) 的初始质量浓度为 10、20、80、100、200、 400、800、1 000、1 182 m g/ L , 混合液 pH 根据 1. 3. 2 确定。其他条件同 1. 3. 1。 1. 3. 4 二次吸附实验
用初始质量浓度为 10 mg/ L 的Cr( Ⅲ) 溶液进行 吸附实验后过滤干燥得到的样品进行了二次吸附。
图 1 针铁矿的 XRD 图 F ig . 1 XRD analy sis of biominer alized goethite
注: d 为面网间距, nm; 下标为晶面编码。
针铁矿的 SEM 二次电子像见图 2, 其表面形貌
以球形、螺旋状为主。
二次吸附的条件与第一次吸附实验( 1. 3. 1) 相同。 1. 3. 5 CrCl3的对比吸附实验
pH 因素实验所得曲线见图 4。由图 4 可见, 随 着 pH 的增大, 针铁矿对Cr( Ⅲ) 的吸附率迅速增大。 在 pH = 5. 5 时趋于最大值。因此, 确定 pH 最优条 件为 5. 5。
图 4 针 铁矿吸附Cr( Ⅲ) 的 pH 因素实验结果 Fig. 4 Effect of pH on the adsorption of Cr(Ⅲ) on the goethite
Keywords: Bio mineralized g oethite SEM XPS M icro po re H ydrous chromium o xide( HCO)
铁的( 氢) 氧化物是土壤和水体沉积物中的常见 组分。特别是针铁矿 ( - FeOOH ) 为分布 最广的表 生矿物, 是红土型矿石中的主要矿物成分, 质量分数
注: 1) 表中数据为质量分数。
BP210S 电 子天平 ( 德 国) ; ORION818 酸度 计
( 美国) ; H ZQ- C 空气 浴振荡 器; V ar ian- Spectr AA-
30A 原子吸收光谱仪( 澳大利亚) ; JSM- 5610LV 扫
描电子显微 镜( 日本) ; H- 600ST EM/ EDX PV9100
electro n microscope ( SEM ) and X- ra y pho toelectr on spectro sco py ( XP S) w ere employ ed fo r sample char acter ization.
Adsor ption of Cr( Ⅲ) on the BG increased w ith its A l2 O 3 co ntent, indicating that the negat ively char ged kaolinite- conta ining clay const ituent o f BG had a g reater capacity for Cr( Ⅲ) than BG as a whole. T he X PS data sugg ested that
究大多数以人工合成的针铁矿作为研究对象。实际 上, 由于人工合成针铁矿与天然矿物在表面性质上 存在着较大的差异以及天然体系的复杂性[ 12] , 利用 人工合成针铁矿进行研究得出的结论很难应用于天 然体系。
本研究以铁细菌生物矿化得到的天然针铁矿为 材料, 进 行 了 吸附 含 铬 模 拟 废 水的 实 验, 并利 用 XP S、扫描电子显微镜( SEM ) 和能量色散 X 射线光 谱仪( EDX) 等现代分析测试手段进行了表征, 对采 用针铁矿处理含重金属废水以及进行原位土壤修复 具有一定的指导意义。
1. 3. 1 吸附动力学实验 针铁矿质 量为( 250. 0 0. 3) m g; Cr( Ⅲ) 的初
始质量浓度为 10 mg/ L; 溶液总体积为 60 mL ; 实验
2. 1 吸附动力学实验 吸附动 力学实验所得结 果见图 3。从图 3 可
见, 在3 h 时Cr( Ⅲ) 的吸附率 达到9等 生物矿化针铁矿吸附 铬的机理探讨
表 1 实验样品的化学成分1) ( % ) T able 1 Composit ion of the specimen
FeO 0. 21
SiO 2 7. 45
A l2 O 3 10. 37
F e2 O3 80. 24
MgO 0. 04
CaO 0. 51
Cr( Ⅲ) ( Cr Cl3 形 态) 的 初 始质 量 浓 度为 50、 800、1 085 m g/ L , 实验条件采用 1. 3. 1~ 1. 3. 4 得出 的最佳条件。 1. 3. 6 样品分析测试
对Cr( Ⅲ) ( Cr( NO3 ) 3 形态) 初始质量浓度为 1 182 mg / L 的吸附 实验后的样品 利用 SEM / EDX 进行分析。用 XPS 对空白样品( 未吸附Cr( Ⅲ) 的针 铁矿) 以及吸附Cr( Ⅲ) ( Cr( N O3) 3形态) 初始质量浓 度为 50、800 mg/ L 后的样品进行分析。
环境污染与防治 第 29 卷 第 3 期 2007 年 3 月
生物矿化针铁矿吸附铬的机理探讨*
祝春水1 孙振亚2, 3 龚文琪2 陈文宾1 马卫兴1 徐国想1
( 1. 淮海工学院化工系, 江苏 连云 港 222005; 2. 武汉理工大学资源与环境工程学院, 湖北 3. 武汉理 工大学材料研究与测试中心, 湖北 武汉 430070)
H ubei 430070)
Abstract: G oethite, w hich is abundant in nature, has impor tant ro les on t he mobility and tr ansfor matio n o f heav y metals o n the eart h's sur face. A dso rption of Cr ( Ⅲ) on biomineralized g oethite ( BG ) was conducted; scanning
15% [ 1] , 也是我国东海、长江口和黄河口海域的各 种水合氧化物中的主要成分[ 2] , 且具有稳定的化学 性质和较高的比表面积, 吸附性能良好, 对阴离子、 阳离子、重金属离子及有机螯合剂在地表环境中的
迁移和沉淀有重要影响, 因而具有十分重要的环境 学意义[ 3] 。
对于针铁矿吸附重金属的行为及其机理的研究 国外开展较早, 国内于近几年才开始研究。研究人 员采用红外光谱[ 4] 、X- 射线精细结构光谱( X A FS) [ 5] 和 X 射线光电子能谱( X PS) [ 6, 7] 等现代分析测试手 段对重金属在针铁矿上的吸附进行了表征; 还有许 多研究者提出了吸附模型[ 8-11] , 但都不能 完美地解 释针铁矿吸附重金属的机理。另外, 目前进行的研
武汉 430070;
摘要 针铁矿在自然 界中 广泛 存在, 对 重金 属离 子在 地表 的迁 移和 转 化有 重要 影响。 利用 天然 生物 矿化 针铁 矿进 行 了
Cr( Ⅲ) 吸附研究, 并利用扫描电子显微镜( SEM ) 和 X 射线光电子能谱( X PS) 等 对吸附后 的样品进 行表征, 发 现样品中 铬的含量 随
1 材料及方法
1. 1 试剂及设备 Cr( N O 3 ) 3 9H 2 O ( 分析纯) ; N aO H ( 分析纯) ;
H N O3 ( 分析纯) 。
第一作者: 祝春水, 男, 1979 年生, 硕士, 主要从事环境矿物学方面的研究。 * 国家自然科学基金资助项目 ( N o. 40072015; N o. 40372028) 。
图 3 针铁矿吸附Cr( Ⅲ) 的动力学实验结果 Fig. 3 T he adsorption kinetics of Cr(Ⅲ) sorption on goethite
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环境污染与防治 第 29 卷 第 3 期 2007 年 3 月
有下降又平缓增大。3 h 时溶液Cr( Ⅲ) 残留质量浓 度为 0. 058 m g/ L , 比 10 h 时最大吸附率 99. 80% 时 的残留 0. 010 m g/ L 稍大。故在后面的实验中取反 应时间 3 h。 2. 2 pH 因素实验
分析电子显 微镜( 日 本) ; ESCAL AB M KII 多 功能
电子能谱仪( 英国) 。
1. 2 实验材料
T iO2 0. 014
M nO 0. 67
K2 O 0. 028
Na2O 0. 009
P 2 O5 0. 043
合计 99. 58
温度为( 25. 0 0. 3) ; 放置于空气浴振荡器中以 180 r/ min 的转速混合; 根据前期摸索实验, 确定混 合液 pH 为 5. 00 0. 03。为了尽量避免 CO2 溶入 反应液影响吸附实验, 所有三角烧瓶瓶口均用塑料 纸密封。 1. 3. 2 pH 因素实验