Fe3O4纳米粒子制备及其对水溶液中Cr(Ⅵ)和Mn(Ⅱ)去除机制的研究

摘要

具有超顺磁性的Fe3O4纳米粒子由于其独特的物理化学性质及生物兼容性，在重金属废水污染治理中展现出广阔的应用前景。本文拟对Fe3O4纳米粒子的制备及其对水溶液中Cr(Ⅵ)和Mn(Ⅱ)的吸附作用机制进行研究。
　　 通过改进的水解法制备出形态规则、分布均匀的Fe3O4纳米粒子，利用XRD、TEM、SEM、FTIR和VSM等对产品进行形貌、物性的表征。制备过程中未加入任何表面活性剂，采用改变搅拌速度及控制反应温度的方法制备出平均粒径在10 nm左右的纳米粒子。在制备过程中引入外加静磁场，在磁场强度为0.30T的静磁场下成功制备了一维棒状Fe3O4纳米粒子，测试表明，长度为100 nm～150 nm，直径10 nm左右，VSM测定表明仍具有超顺磁性。
　　 以Fe3O4纳米粒子为吸附剂处理含Cr(Ⅵ)废水，主要考察吸附过程中各影响因素对Fe3O4纳米粒子去除水溶液中Cr(Ⅵ)的影响，分析两种不同动力学反应机制，探讨吸附反应历程。结果表明，较低pH值有利于Cr(Ⅵ)去除；离子强度对去除过程基本无影响；带电荷较多的阴离子如SO42-不利于Cr(Ⅵ)去除；对吸附动力学模拟结果表明本文提出的“吸附-反应动力学机制”要优于经典的反应动力学机制；通过FTIR和XPS图谱分析表明，Fe3O4纳米粒子吸附Cr(Ⅵ)的过程中发生了氧化还原反应。
　　 以Fe3O4纳米粒子为吸附剂处理含Mn(Ⅱ)废水，主要考察吸附过程中各影响因素对Fe3O4纳米粒子去除水溶液中Mn(Ⅱ)的影响。结果表明，较高pH值有利于Mn(Ⅱ)吸附，而离子强度对吸附过程基本无影响。通过利用经验模式中Langmuir模型、Freundlich模型和机制模式中表面络合模型的对比研究Fe3O4纳米粒子吸附Mn(Ⅱ)的吸附模型，模拟结果表明，采用表面络合模型能更准确模拟Fe3O4纳米粒子吸附Mn(Ⅱ)过程。
　　 以Fe3O4纳米粒子为吸附剂处理含Cr(Ⅵ)和Mn(Ⅱ)的废水，通过预先吸附法和同时吸附法两种方式来考察水溶液中Mn(Ⅱ)影响Cr(Ⅵ)的去除过程，主要考察吸附作用方式、吸附时间、Mn(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)的浓度比、pH值等因素对Fe3O4纳米粒子吸附溶液中Cr(Ⅵ)和Mn(Ⅱ)过程的影响。结果表明，当溶液中Cr(Ⅵ)和Mn(Ⅱ)同时存在时，Fe3O4纳米粒子去除Cr(Ⅵ)的作用机制非常复杂，不仅同吸附方式有关，还受溶液中pH值影响，综合考虑这些因素，本文提出Fe3O4纳米粒子对水溶液中Cr(Ⅵ)和Mn(Ⅱ)协同吸附作用的“选择性吸附-反应机制”。