2种羟基氧化铁对水中Cr_的吸附性能

2种羟基氧化铁对水中Cr( )的吸附性能
朱志良*
孔令刚 马红梅 赵建夫
(同济大学长江水环境教育部重点实验室,污染控制与资源化研究国家重点实验室 上海200092)摘 要 通过水解方法制备了 FeO (OH )和 F e O (OH ),研究了其对Cr( )的吸附性能及影响因素。

结果表明,2种形式的F e O (OH )在弱酸性环境中对Cr( )均表现出很好的去除效果,吸附过程能够用Langmu ir 模型较好地描述, FeO (OH )和 F e O (OH )对Cr( )的最大吸附容量分别为50 25和42 02m g /g 。

对初始质量浓度达10m g /L Cr( )的水样,通过 F e O (OH )和 F eO (OH )的吸附作用,可以将水中C r( )控制在
饮用水安全标准之下。

200mg /L C l -、SO 2-4,100m g /L F -作为共存离子时,对2种吸附剂吸附C r( )的效果无明显影响;但100mg /L 的H 2PO -4和H CO -3共存,可使
F eO (OH )、 F eO (OH )对Cr( )的去除效果降低15%~20%。

离子强度增加使吸附能力降低。

关键词 羟基氧化铁,铬,吸附作用,水处理
中图分类号:O 658.9 文献标识码:A 文章编号:1000 0518(2007)08 0933 04
2006 08 24收稿,2007 03 25修回
上海市科委基础研究重点项目(05J C14059)及科技部小城镇科技发展重大项目(2003BA808A17)通讯联系人:朱志良,男,教授;E m ai:l zz@l m ai.l tongj.i edu .cn;研究方向:环境化学与化工,水处理技术
C r( )具有很强的生物毒性,我国生活饮用水卫生标准规定不得超过0 05m g /L [1]。

但由于饮用水源受到工业废水的污染或因地质背景所致,常使得生活饮用水的C r( )含量超标,严重威胁人类健
康。

因此,受C r( )污染水体的防治是近年环境修复技术研究的热点之一[2~5]。

近年来,利用自然界普遍存在的矿物例如沸石
[6]
、累托石
[7]
、膨润土
[8]
等,对铬进行吸附作用的研究引起了人们的重视,由于
它们具有稳定的化学性质和较大的比表面积,可以作为去除水中低浓度重金属离子的有效方法。

而利用铁的各种(氧)氢氧化物对有毒有害重金属的吸附性能及机理进行研究,已成为近年研究的热点之一
[9~12]。

本文制备了2种羟基氧化铁: Fe O (OH )和 Fe O(OH ),对不同浓度的含C r( )水样进行了
吸附作用研究,探讨了影响吸附作用效果的各种因素,旨在为微污染水体中C r( )的高效去除技术的发展提供相关的理论和技术支持。

1 实验部分
1.1 试剂和仪器Fe C l 3、Fe(NO 3)3 9H 2O 、K 2Cr O 4、HC l 、Na OH 、N a C l 、Na 2SO 4、Na HCO 3、Na H 2PO 4、NH 4F 均为分析纯试剂。

Opti m a 2100DV 型I C P AES 等离子体发射光谱(美国Perkin E l m er 公司);p H 23C 型p H 计(上海雷磁仪器厂)。

1.2 实验方法1.
2.1 羟基氧化铁的制备 样品的制备参照文献[13]方法进行。

(1) Fe O (OH )的制备:8 1g Fe(NO 3)3 9H 2O 溶解于20mL 水中,搅拌下将此溶液注入到20mL 体积分数为6%的氨水溶液中,将沉下的无定形氢氧化物用80~100mL 水以倾析法洗涤几次。

向氢氧化物(含多余的水)注入等体积(4g)KOH 溶液,搅匀,水浴加热到60~70!维持2~2 5h 。

向生成的
淡黄色沉淀中添加5~8g 的NH 4C,l 热水洗至不含C l -,产品抽滤后,60!干燥。

研磨,过0 149mm 筛孔,制成粉状吸附剂备用。

(2) Fe O (OH )的制备:将0 1m o l/L FeC l 3水溶液调整p H 值为2左右,慢慢加热(10!/h 左右)升温,在80!保温2h 左右,室温下放置过夜。

先用含有少量氨的水,再用蒸馏水洗涤之后,进行离心分离,50!干燥。

研磨,过0 149mm 筛孔,制成粉状吸附剂备用。

第24卷第8期应用化学
V o.l 24N o .82007年8月
C H I NESE J OURNAL OF A PPL I E
D C H
E M IS TRY
Aug .2007
1.2.2 吸附等温实验 分别移取质量浓度为50、75、100、200、250m g /L 的K 2C r O 4溶液50mL 于250mL 具塞锥形瓶中,加入0 1g 粉状吸附剂( Fe O (OH )或 Fe O (OH )),室温振荡24h,静置24h 后,5000r /m in 高速离心10m in ,取上清液,I C P 测定平衡溶液中C r( )浓度,计算对C r( )的吸附量。

1.2.3 吸附动力学实验 称取各0 1g 吸附剂分别加入一系列250mL 锥形瓶中,加入10m g /L 的K 2C r O 4溶液50m L 。

室温振荡,间隔一段时间(10、30、60、90、120、180、240、300、360和1440m i n )取样,5000r/m i n 高速离心10m in ,测定平衡溶液C r( )浓度。

计算不同时间C r( )的去除率。

2 结果与讨论
2.1 羟基氧化铁的表征
图1为实验制备的 Fe O(OH )与 Fe O(OH )的XRD 表征图谱。

图中可见, Fe O (OH )在21 1∀
、图1 FeO (OH )与 F eO (OH )的XRD 图F i g .1 XRD pa tterns of FeO (OH )and F e O (OH )
36 7∀和33 2∀处出现特征衍射峰, Fe O (OH )在11 84∀、26 7∀及35 2∀处出现特征衍射峰。

结果与
文献值相符[13]。

2.2 p H 值对吸附性能的影响
图2为 、 2种形态Fe O (OH )(投加量均为0 1g )对100mL 初始质量浓度为20m g /L K 2Cr O 4溶液去除铬的效果随pH 值变化的曲线。

图中可见, Fe O (OH )在弱酸性范围内对C r( )有很好的去除效果,去除率保持95%以上。

在碱性条件下,随p H 值升高,去除率逐渐下降。

Fe O(OH )对Cr( )的最高去除率与 Fe O (OH )基本一致,均在p H 值
为6左右,强酸或强碱条件均不利于吸附。

本文按
文献[15]
方法测定了 Fe O (OH )和 Fe O (OH )的零点电荷,分别为6 4和7 4。

在p H 值低于其零点电荷时,吸附剂表面带正电荷
[14]
,将有助于以阴离子(Cr O 2-4、Cr 2O 2-
7)形式存在的Cr( )吸附。

而在零点
电荷附近,吸附剂对金属离子的吸附通常具有较高的效率。

同时考虑到在p H 值较低时Fe O (OH )的溶出作用,在吸附实验操作中,溶液p H 值控制在6左右(与实验室所用去离子水pH 值基本一致)。

图2 p H 值对F eO (OH )吸附C r( )性能的影响F i g .2 E ffect o f p H on adsorpti on efficiency o f F eO (OH )and FeO (OH )f o r Cr( )
1. FeO(O H );
2. Fe O (OH
)
图3 2种羟基氧化铁对Cr( )的L angmu i r 吸附等温线
F ig .3 L ang m uir adsorption isother m s o f C r( )on F e O (OH )and F e O (OH )
1. Fe O (OH );
2. FeO(O H )
2.3 吸附等温线
用Lang m uir 等温吸附模型拟合了 Fe O (OH )和 Fe O (OH )对C r( )的吸附过程。

Lang mu ir 公式:c e /Q e =c e /Q 0+1/(b Q 0),式中,Q e 为平衡时吸附量(m g /g);c e 为平衡质量浓度(mg /L);Q 0为理论最大吸附容量(m g /g);b 为吸附平衡常数(L /m g)。

作c e /Q e ~c e 关系曲线(图3)。

由图可见,Lang m uir 模型能较好地描述 Fe O (OH )和 Fe O (OH )
934
应用化学 第24卷
对C r( )的吸附过程。

计算可得: Fe O(OH )和 Fe O (OH )对Cr( )的最大吸附容量分别为50 25和42 02m g /g 。

2.4 吸附动力学
以初始质量浓度10m g /L 的50mL K 2C r O 4溶液,吸附剂0 1g ,pH =6下,做室温吸附动力学实验,结果见图4a 。

图中可见,铬的去除率分别在30和120m i n 左右能达99%,之后逐渐平衡。

对初始质量浓度1m g /L C r( )的吸附效果更佳,实验结果见图4b 。

在10m i n 内即可达到满意的去除效果。

经 Fe O(OH )的处理足以能使C r( )的含量降低到饮用水安全标准值以下,而投加 Fe O (OH )的溶液中更是基本无C r( )检出。

由于作为饮用水源的微污染水体中,C r( )质量浓度一般不会超过1mg /L 。

因此,通过 Fe O(OH )和 Fe O(OH )的吸附作用完全可以把水中C r( )
控制在饮用水安全标准之下。

图4 2种羟基氧化铁对Cr( )吸附的动力学曲线
F i g .4 A dso rption kine tics curv es of Cr( )on FeO (OH )and FeO (OH )
a .i n iti al concen trati on of Cr( ):10m g/L ;
b .i n iti a l con cen trati on of C r( ):1mg /L;1. Fe O(OH );2. Fe O (OH )
2.5 离子强度的影响
S t u mm 指出离子强度对离子吸附的显著影响反映了电性吸附作用的存在,是区分电性吸附作用和图5 离子强度对2种羟基氧化铁吸附C r( )性能的影响
F i g .5 Effect of ion ic streng th on the adso rpti on of
F e O (OH )and F e O (OH )for C r( )
1. Fe O (OH );
2. FeO(O H )
专性吸附作用的有效手段
[15]。

如果离子强度足够
高,电性吸附对离子的吸附可以忽略,此时的吸附作用主要由专性吸附所致。

分别用N a NO 3调节离子强度为0、0 001、0 01、0 1和0 25m o l/L,Cr( )初始质量浓度为10m g /L 的溶液各50m L ,吸附剂用量0 1g ,室温振荡24h 。

经测定,2种羟基氧化铁对C r( )的吸附能力均随离子强度的增加逐渐降低(见图5)。

由此可见, Fe O(OH )和 Fe O(OH )对C r( )的作用存在电性吸附和专性吸附2种形式。

2.6 共存离子的影响
多种离子存在于吸附体系中,吸附剂表面可能发生吸附质之间的竞争吸附作用。

实验中分别用
200m g /L C l -、SO 2-4
,100mg /L HCO -3
、H 2PO -4
、F
-
作为共存离子,研究了共存离子对2种吸附剂吸附C r( )的影响。

吸附结果如表1所示。

表中可见,
表1 共存离子对2种羟基氧化铁吸附C r( )性能的影响
T ab le 1 E ffect of coexisten t i ons on th e adsorp tion of Cr( )on FeO (OH )and Fe O (OH )
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第8期朱志良等:2种羟基氧化铁对水中Cr( )的吸附性能
936应用化学 第24卷
C l-、SO2-4、F-对吸附效果无明显影响。

H2PO-4的存在使 Fe O(OH)和 Fe O(OH)对C r( )的去除率均降低了20%左右。

HCO-3影响 Fe O(OH)、 Fe O(OH)的去除效果分别降低了20%和15%左右
参 考 文 献
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(K ey Laboratory of Yangtze R i v er Water E nvironm ent,M inistr y of Education,S tate K ey
Labora tory of Po llution Con trol and R esources R euse,Tongji University,Shanghai200092)
Abst ract Tw o iron(hydr)ox i d es,goeth ite and akaganeite,w ere prepared by hydrolysis m ethod.The adsorption of C r( )on these iron(hydr)ox i d es fro m solution w as i n vesti g ated.Both goethite and akagane ite have a high e fficiency for the re m ova l o f chro m ium.The adsorption process can be described by Lang m u ir iso ther m mode.l The m ax i m um adsorption capacities o f Fe O(OH)and Fe O(OH)w ere50 25m g/g and 42 02m g/g,respecti v ely.For the so luti o n sa mp les w ith10m g/L Cr( ),the resi d ual Cr after treat m ent by both Fe O(OH)and Fe O(OH)can m eet the safety standar d for drink i n g wa ter.The effect of coex isten t ions on the adsorption w as a lso studied.The presence at200m g/L C l-,200mg/L SO2-4or100m g/L F-sho w s no obv i o us effect on the adsorption efficiency fo r C r( ).W it h the increase o f ionic streng th,the adsorption effic i e ncy decreases.The presence of100m g/LH2PO-4and H C O-3m akes t h e re m ova l efficiency o f C r( )decreased by15%~20%for the sa m e a m ount o f adsorbent Fe O(OH)or Fe O(OH).
K eywords iron(hydr)ox i d es,chro m i u m,adsorption,wa ter treat m ent。