天然铁锰氧化物及氢氧化物环境矿物学研究

收稿日期:19990913;修订日期:20000110

作者简介:鲁安怀(1962—　

),男,博士,教授,矿物学专业,环境矿物学与环境矿物材料研究方向。基金项目:科学技术部攀登特别支持费资助项目(99019);国家自然科学基金资助项目(49972017);矿物岩石材

料国家专业实验室开放基金资助项目

天然铁锰氧化物及氢氧化物

环境矿物学研究

鲁安怀,卢晓英,任子平,韩丽荣,方勤方,韩　勇

(中国地质大学矿物岩石材料国家专业实验室,北京100083)

摘　要:带有表面电荷及含有变价元素的天然铁锰氧化物及氢氧化物具有良好的表面吸附与

氧化还原等化学活性。在不同介质条件下,它们能不同程度地表现出对Cr 6+,Pb 2+,Hg 2+,

Cd 2+,As 3+,Cu 2+,Zn 2+,Co 2+,Ni 2+等重金属离子有吸附作用和对NO -3,PO 3-4,F -,S

2-等阴离子有吸附作用与氧化作用,并对苯酚、乙烷、乙烯、合成有机酸等有机物具有吸附和转化降解

作用,还对CO 2,NO x 和SO 2等具有分解转化作用。利用这些矿物的环境属性治理水体、土壤

及大气污染的方法,具有成本低、效果好、无二次污染及有用金属可回收利用等优点,展现出广

阔的环境矿物学研究与应用前景。

关键词:天然铁锰氧化物及氢氧化物;环境矿物学;水体;土壤;大气;污染治理

中图分类号:P58714;X4　文献标识码:A 文章编号:10052321(2000)02047311

环境矿物学是研究天然矿物与地球表面各个圈层之间交互作用及其反映自然演变、防治生态破坏、净化环境污染及参与生物作用的科学。环境矿物学主要研究内容包括研究矿物作为反映不同时间空间尺度上环境变化的信息载体,研究矿物影响人类健康与破坏生态环境的本质及其防治方法,研究开发矿物具有治理环境污染与修复环境质量的基本性能以及研究纳米级别上矿物与生物发生交互作用的微观细节与机理等[1]。天然铁锰氧化物与氢氧化物的代表性矿物种主要有磁铁矿、赤铁矿、针铁矿、软锰矿和硬锰矿等,在自然界分布广泛。过去人们对如何从这些矿物中提取有用组分———资源属性作过深入研究,如今对这些矿物在环境评价与污染治理中开发有用性能———环境属性正在开展有益的探讨[2,3]。事实上它们也正在成为天然矿物净化污染方法方面的重点研究对象之一[4～9]。

本文就天然铁锰氧化物与氢氧化物在水体、土壤及大气污染治理领域利用的国内外研究现状进行综述,旨在进一步提高和扩大天然铁锰氧化物与氢氧化物环境矿物学的研究水平与应用前景。

1　水体污染治理

地表水体污染是构成目前环境污染现状令人十分担忧的一个问题。地下水高氟、高砷—

374—第7卷第2期2000年4月地学前缘(中国地质大学,北京)Earth Science Frontiers (China University of G eosciences ,Beijing )Vol.7No.2Apr.2000

与高硝酸根甚至含痕量重金属等饮用水水质亟待改善。干旱、半干旱地区分布广泛、储量较大的微咸水也未得到有效治理与合理利用。但是对这些量多面广的区域性地表水和地下水的治理改善工程不是一般性环境污染治理技术所能支撑的。只有采用成本低廉的地质方法———天然自净化作用才有可能达到规模治污能力。然而用地质方法治理污染,归根到底是天然矿物对各种污染物的净化能力问题,只有从矿物学层次上充分认识其净化污染物的机理和容量,才能实现对水体中污染物的有效治理,例如天然铁锰氧化物与氢氧化物可在水体污染治理活动中发挥独特作用。

111　赤铁矿除Cr(Ⅵ)

在不同浓度、不同温度及不同p H 值条件下,赤铁矿去除水溶液中Cr (Ⅵ

)的能力有所不同[10]。在温度为40℃,p H 值为217,Cr (Ⅵ)初始浓度为19123mg/L 、赤铁矿初始浓度为

40g/L 的水溶液中,观测到赤铁矿对Cr (Ⅵ

)的最大去除率为97%,平衡状态的数据符合郎格谬尔等温线。反应动力学过程包括膜及毛细孔不同程度的扩散作用,可由测定的质量转

移及扩散系数来表征,热力学参数表明反应过程具有自发的吸热特征。赤铁矿吸附Cr (Ⅵ

)的程度随p H 值的下降而增加,此由于赤铁矿表面形成的带正电荷的铁的水合络合物与占

优势的HCrO -4基发生相互作用而产生最佳的除Cr (Ⅵ

)效果。所提出的经验方程式还能从吸附物与吸附物浓度平衡理论的角度来预测平衡吸附容量。

112　氧化铁砷体系除砷

砷作为一种有毒有害物质目前仍是我国的主要有毒污染物。去除废水及饮用水中的砷的方法很多,但若含砷浓度较低,可行的方法仍是沉淀法。沉淀法中又首推氧化铁砷体系沉

淀法。在Fe As H 2O 体系中,当1103≤p H ≤5135时,水中砷(Ⅴ

)与铁(Ⅲ)形成FeAsO 4沉淀物。通过对沉淀物的红外光谱分析,在Fe ,As 摩尔比为1∶1的铁砷渣中,砷主要以FeAsO 4・2H 2O 形式存在;在Fe ,As 摩尔比为3∶1的铁砷渣中,砷主要以FeAsO 4・2H 2O ・FeOOH 形式存在,而废水渣中砷以FeAsO 4・FeOOH 的形式存在。从化学热力学和铁砷沉淀物的红外光谱方面,探讨了氧化铁砷体系沉淀除砷原理,提出了在低p H 值条件下氧化铁砷体系吸附共沉淀除砷和中和除氟的两级处理工艺。发现废水中砷酸根离子能与铁离子形成溶度积很小的FeAsO 4,并与过量Fe 3+所形成的FeOOH 羟基氧化铁生成吸附沉淀物,达到除砷的目的。该工艺打破了沉淀法去除砷必须在碱性条件下进行的限制,产生的含砷渣仅为传统方法的1/10,且毒性低、化学稳定性强。含砷渣中砷品位可达10%～18%,应用现代技术便可从中回收砷。二级中和渣也无害,可安全地用于建筑材料的生产原料[11]。113　覆盖氧化铁的砂子吸附和过滤金属

氧化铁对于非络合金属、某些金属———配位体络合物和许多金属含氧阴离子来说是一种很好的吸附剂,但由于这些氧化物从水中分离出来困难,导致在污水处理运行中不能充分发挥这些物质的吸附特性。采用氧化铁覆盖普通过滤砂[12],这种复合结构可同时过滤颗粒物质和吸附溶解性物质。此工艺可成功去除废液中的非络合的和氨络合的金属阳离子

(Cu 2+,Cd 2+,Pb 2+,Ni 2+,Zn 2+等)及某些金属含氧阴离子(SeO 2-3,AsO 3-3

等),废液为金属浓度范围较宽的模拟废液和实际废液。氧化铁吸附剂在反洗和再生阶段是稳定的,能定量

地释放出所吸附的大部分金属。只有AsO 3-3

是例外,用酸和碱再生都不能使它有效地恢复。这种用氧化铁覆盖过滤砂的复合介质制备费用不高,能用来作为去除废水中有用金属的基本方法,当然金属的回收可能需要一些设备。

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474—　矿物物理化学　地　学　前　缘　

2000,7(2)