氧化石墨烯负载硫化纳米零价铁对土壤淋洗液中砷、锑污染的去除研究

来源 :吉林大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:liu3352
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冶金业和采矿业的快速发展导致土壤重金属污染日趋严重。其中,以砷和锑为主的伴生矿类金属污染尤为突出。土壤淋洗技术因其修复时间短、修复彻底而被广泛使用,但土壤淋洗后产生的砷、锑废液会造成潜在的环境污染。然而,淋洗液中砷和锑不仅具有高毒性,而且能与淋洗剂形成稳定络合物,难以被传统沉淀法直接处理。因此开展淋洗液废液中重金属(砷、锑)的去除是十分必要的。基于此,本文以As(III)和Sb(III)为目标污染物,通过对纳米零价铁(n ZVI)的硫化和负载改性,研发了一种新型纳米铁基材料——氧化石墨烯负载硫化纳米零价铁(S-n ZVI@GO),考察了S-n ZVI@GO在不同环境条件下(投加量、p H、初始浓度、温度、有无氧等)对As(III)和Sb(III)的去除特征,揭示了S-n ZVI@GO去除As(III)和Sb(III)的反应机理,构建了基于S-n ZVI@GO的固定化材料,实现了S-n ZVI@GO对土壤淋洗液中目标污染物As(III)和Sb(III)的高效去除。本研究得出以下主要结论:(1)采用两步合成法和自组装法成功制备了氧化石墨烯负载硫化纳米零价铁(S-n ZVI@GO),并对其进行了相关的表征分析(SEM-EDS、XRD、电化学等)。结果表明,S-n ZVI能够均匀分散在GO上,且铁是S-n ZVI@GO的主要元素(50.9%)。与n ZVI和S-n ZVI,S-n ZVI@GO的电子传递速率更快,反应活性更高。(2)当S/Fe和GO/S-n ZVI的比例分别为0.286和0.08时,S-n ZVI@GO对Sb(III)的去除效果最好,且Sb(III)的去除过程符合拟二级动力学模型。S-n ZVI@GO在有氧条件下(96.7%)除锑效率高于在缺氧条件下(57.8%),这是由于溶液中的分子氧通过单电子途径活化产生活性物种(·O2-和H2O2),进而将Sb(III)氧化成Sb(V),并通过吸附和共沉淀的协同作用从水中分离。在p H=3~9条件下,S-n ZVI@GO仍能保持高效的锑去除率(>90%),表明该材料具有广泛的p H适应范围。此外,S-n ZVI@GO对Sb(III)的去除是自发的吸热过程,最大吸附量高达311.75mg/g。(3)S-n ZVI@GO对As(III)的去除过程符合拟一级动力学模型。溶液中的分子氧对S-n ZVI@GO去除As(III)有显著影响,有氧条件下去除率(91.2%)显著高于无氧条件(44.79%)。参与除砷过程的活性物种为·O2-和H2O2,通过氧化、吸附和共沉淀协同作用达到高效的砷去除。在不同p H(3~9)条件下,S-n ZVI@GO对砷的去除率保持在95%以上。此外,S-n ZVI@GO对砷拥有较大的去除能力,其最大吸附量高达444.68 mg/g,对As(III)的去除过程属于自发的吸热过程。(4)相比于陶粒和泡沫陶瓷,石英板作为S-n ZVI@GO的固定载体,能高效去除淋洗液中的As(III)和Sb(III)(As:90.02%和Sb:79.12%),其反应速率分别为As:k=0.01211 min-1和Sb:k=0.012783 min-1。此外,以石英板作为载体的固定化材料在经过三次重复利用后,对淋洗液中砷和锑的去除速率仍能维持50%以上。可见石英板可作为S-n ZVI@GO的固定化载体,用于土壤淋洗液中的As(III)和Sb(III)的去除。
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