化学与生物成因施氏矿物的矿物学特征及其对水中As(III)吸附去除效果的研究

摘要

砷是一种具有原生质毒性的类金属,已被美国疾病控制中心和国际防癌研究机构确定为第一类致癌物。吸附法除砷因效率高、操作方便、成本低、运行稳定等优点,被公认为是最有效的除砷方法之一,开发高效低成本除砷剂已成为地下饮用水除砷技术领域研究的热点。施氏矿物具有较大的比表面积、含有大量-OH、SO42-等基团而对重(类)金属离子有吸附作用,作为一种具有良好应用前景的新型吸附材料而倍受人们关注。自然成因施氏矿物因混杂其他矿相或已吸持大量有毒元素难以分离纯化而不适用于水的深度净化处理。本文采用生物法和化学法在实验室人工合成施氏矿物,比较了两种方法合成矿物对As(Ⅲ)的吸附性能,并通过各种预处理来提高矿物对As(Ⅲ)的吸附量,并将粉状施氏矿物负载在沸石表面进行颗粒化成形,采用柱实验对吸附模拟含砷地下水的去除效果进行了动态研究,主要研究结果如下:
　　 通过A.ferrooxidans生物氧化(生物法)和H2O2氧化水解FeSO4(化学法)制备纯施氏矿物。化学法合成矿物速率明显快于生物法,两者合成矿物时间分别为24 h和48～60 h,总铁沉淀率分别为43.1％和36.7％；但生物合成施氏矿物颗粒均匀、分散性好、矿物比表面积(45.63 m2/g)远高于化学合成(3.17 m2/g),其等电点(pHpzc=7.6)也高于化学成因矿物(pHpzc=5.7),且矿物颗粒呈海胆状,直径在2～3μm之间,而化学合成矿物颗粒轮廓呈圆滑球形,粒径较小,在400～600 nm之间。
　　 采用静态吸附实验对两种方法合成施氏矿物吸附去除水中As(Ⅲ)效果进行了对比研究,发现生物成因施氏矿物吸附性能明显优于化学成因矿物,其吸附As(Ⅲ)速率约是后者的2倍,吸附适宜pH范围较广,对As(Ⅲ)专性吸附能力强于化学成因施氏矿物,在室温下其对As(Ⅲ)的最大吸附量分别为102 mg/g,比化学成因施氏矿物(82mg/g)高出约24.1％。
　　 鉴于生物成因施氏矿物对As(Ⅲ)吸附性能明显优于化学成因矿物,因此只对前者进行NaOH、NaCl、200℃灼烧及乙醇-超声预处理。结果表明,经0.01 mol/L NaOH溶液处理后矿物的吸附性能最佳,在室温下最大吸附量达到143.3 mg/g,吸附能力提高了41.8％,比表面积从原来的45.63 m2/g增加到325.18 m2/g,Fe/S摩尔比亦增加,矿物干燥时团聚现象明显减弱。
　　 对颗粒状施氏矿物吸附柱动态吸附模拟含砷地下水进行了研究,表明在初始As(Ⅲ)浓度为0.2 mg/L,流速为1.2 mL/min时去除效果最佳,其10μg/L穿透体积为800 BV,对As(Ⅲ)饱和吸附量达到6.6 mg/g,同时施氏矿物吸附性能不受As形态的影响,对As(Ⅴ)显示出了良好的吸附性能。
　　 本文研究表明,生物法合成施氏矿物的理化性质及对As(Ⅲ)吸附性能均优于化学合成矿物,通过0.01 mol/L NaOH溶液预处理能有效提高矿物吸附性能,将粉末状施氏矿物制备成颗粒状后,仍具有较高的吸附能力。施氏矿物作为一种高效除砷材料,在工程中展现出良好的潜在应用前景。