高岭石负载生物合成硫化亚铁及其去除六价铬的机制研究

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金属铬及其化合物作为电镀、染料等工业原材料的广泛使用,引起的铬污染问题日趋严重,严重威胁着环境安全与健康。马基诺矿FeS由于其高还原性、高反应活性和高比表面积等特点,被越来越多用于铬污染环境的治理。但由于FeS在合成过程中易团聚成大颗粒,降低其反应活性,如何有效地提高FeS稳定性和活性已成为一个研究热点问题。高岭石是环境中一种常见的粘土矿物,FeS的生物合成过程中有可能以高岭石为成核位点成矿,降低FeS的颗粒聚集。因此,本文探究了高岭石作为负载生物合成FeS材料的可行性,对比了负载于高岭石上的生物合成FeS(FeS-kaolinite)与FeS对Cr(Ⅵ)的去除能力差异,探究了FeS-kaolinite对Cr(Ⅵ)的去除机制以及其对不同环境因素的耐受能力,主要研究结论如下:1.以高岭石作为负载材料生物合成FeS-kaolinite的制备及其特性:以高岭石作为负载体生物合成FeS,能够有效的抑制FeS颗粒聚集,形成更薄更疏松分散的FeS,FeS的粒径由10μm降低至2μm。FeS-kaolinite上FeS的比表面积为101.18 m2/g,明显高于FeS(74.44 m2/g)。FeS-kaolinite在pH=7对Cr(Ⅵ)的去除速率与去除量分别是FeS的1.3倍和2.2倍,表明FeS-kaolinite既能够加快FeS对Cr(Ⅵ)的去除速率,也可以提高其对Cr(Ⅵ)的去除量。2.负载材料FeS-kaolinite去除Cr(Ⅵ)的机制研究:当高岭石浓度为3 g/L时所制备的FeS-kaolinite对Cr(Ⅵ)的去除能力达到最大(399 mg/g),此时FeS在FeS-kaolinite的含量为5%。在pH=5、7、9条件下,FeS-kaolinite对Cr(Ⅵ)的去除动力学都是符合伪二级动力学模型,去除速率随pH上升而下降。在pH 3-8内,FeS-kaolinite能够在1 h内对Cr(Ⅵ)的去除率达到100%,一旦pH>9,其去除能力明显受到抑制。FeS-kaolinite对Cr(Ⅵ)的去除机制为Cr(Ⅵ)先吸附于FeS-kaolinite表面,随后被Fe(Ⅱ)在其表面还原Cr(Ⅲ),S(-Ⅱ)将Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ),本身被氧化为SO42-和SO32-,Cr(Ⅲ)最终以Cr(OH)3和CrxFe1-x(OH)3沉淀脱离液相。FeS-kaolinite对Cr(Ⅵ)的还原与吸附贡献分别为70.8%和29.3%。3.不同环境因子对FeS-kaolinite去除Cr(Ⅵ)的影响:空气中O2主要通过氧化Fe2+和抑制S2-对Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)的循环,降低FeS-kaolinite对Cr(Ⅵ)还原。离子浓度(Cl-,0-1000 m M)与有机质(HA,0-20 mg/L)的存在,不会影响FeS-kaolinite对Cr(Ⅵ)的还原及Cr(Ⅲ)的沉淀。pH=4条件下,共存金属阳离子Ca2+、Zn2+、Cu2+和Cd2+不会通过占据FeS-kaolinite的反应位点抑制其对Cr(Ⅵ)的还原,低浓度(0.3 mM)共存金属阳离子的存在可促进Cr(Ⅲ)形成沉淀,但高浓度(30 mM)的促进效果减弱。MnO2的加入会明显抑制FeS-kaolinite对Cr(Ⅵ)的还原,但MnO2可通过吸附Cr(Ⅲ)促进Cr(Ⅲ)脱离液相,促进效果随MnO2浓度增加而增大。
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