硫铁化物对水体钼酸盐的去除性能及其机理研究

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重金属钼(Mo)是动植物必需的一种微量元素,同时也是一种不可再生的重要战略资源。近年来由于钼矿的大量开采以及钼尾矿管理不善,导致部分钼矿周边水体污染较为严重。硫铁化物是广泛分布于自然环境和人工环境中的重要还原性物质,对水体部分重金属具有一定的吸附、还原作用。本文以水体Mo(VI)为研究对象,研究了硫铁化物包括硫化亚铁(Iron monosulfide,FeS)和硫化纳米零价铁(Sulfidated nanoscale zerovalent,S-nZVI)对水体钼的去除性能及其主要过程。同时,利用透射电镜能谱分析(Transmission electron microscope,TEM-EDS)、X射线光电子能谱(X ray photoelectron spectroscopy,XPS)等手段对硫铁化物表面反应机制进行了深入分析,主要结论如下:(1)采用化学还原法制备了无定型FeS,其比表面积为32.5 m2g-1。反应结果表明,pH对Mo(VI)去除过程影响较大,且随着pH降低Mo(VI)去除率逐渐提高。这主要与不同pH下FeS表面形貌及其Mo(VI)形态变化有关。FeS对Mo(VI)的去除符合伪一级动力学反应模型。通过XPS表征分析可得,随pH的降低,FeS对Mo(VI)的还原能力逐渐增强,在pH=5.0时,Mo(VI)在FeS固体表面被全部还原为Mo(IV-V),而在pH=9.0时Mo(VI)主要通过FeS的表面吸附作用而去除。(2)采用一步合成法制备出S-nZVI,结果表明nZVI经硫化后具有更大的比表面积和更好的分散性,且材料表面S2-,Fe2+和Fe3+含量均有所增加。硫化程度对比实验得出S-nZVI0.5除Mo(VI)效果优于S-nZVI0.1和S-nZVI1.0,且去除率是nZVI的7.12倍。S-nZVI0.5投加量及Mo(VI)初始浓度影响下的反应动力学结果表明,S-nZVI0.5去除Mo(VI)过程符合伪二级动力学吸附模型。由S-nZVI0.5表面元素价态分析可知,S-nZVI0.5对Mo(VI)的去除机理主要是表面吸附和还原作用。影响因素研究表明,pH对Mo(VI)去除影响较大,且随着pH降低Mo(VI)去除率逐渐提高,在pH=4.0-5.0时Mo(VI)去除率大于90%。离子强度(KCl)对Mo(VI)去除有一定影响,随离子强度提高,Mo(VI)去除率呈下降趋势。竞争性阴离子(WO42-和Cr O42-)和部分共存阳离子(Cu2+,Co2+和Ni2+)对S-nZVI0.5除Mo(VI)均有一定的抑制作用,而Zn2+,Ca2+和Mg2+却促进了Mo(VI)的去除。这主要与Mo(VI)去除过程中S-nZVI0.5的表面活性点位及氧化还原电位有关。S-nZVI0.5老化35 d后对Mo(VI)去除率为60.32%,远高于新鲜的nZVI除Mo(VI)效率(12.46%)。该研究成果不仅有助于深入理解硫铁化物对水体重金属Mo在厌氧环境中的转化过程,也为FeS和S-nZVI应用于Mo(VI)污染环境的实际修复提供重要的理论依据。
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