天然磁铁矿化学改性及其在水体除砷中的应用_吴昆明.pdf

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2 0 1 7年 1月 J a n u a r y 2 0 1 7 岩 矿 测 试 R O C KA N DM I N E R A LA N A L Y S I S V o l . 3 6 ,N o . 1 3 2~ 3 9 收稿日期 2 0 1 5- 1 2- 1 0 ;修回日期 2 0 1 6- 1 1- 2 0 ;接受日期 2 0 1 7- 0 1- 1 8 基金项目北京市教育委员会科技计划项目( K M 2 0 1 5 1 0 0 2 0 0 1 6 ) ; 北京市委组织部优秀人才培养项目( 2 0 1 3 D 0 0 5 0 2 1 0 0 0 0 0 5 ) 作者简介吴昆明, 副教授, 在读博士研究生, 主要从事地下水与土壤污染控制。E - m a i l w k m _ 0 0 1 @1 2 6 . c o m 。 通讯作者郭华明, 教授, 博士生导师, 主要从事地下水与土壤污染控制。E - m a i l h m g u o @c u g b . e d u . c n 。 吴昆明,郭华明,魏朝俊. 天然磁铁矿化学改性及其在水体除砷中的应用[ J ] . 岩矿测试, 2 0 1 7 , 3 6 ( 1 ) 3 2- 3 9 . WUK u n - m i n g ,G u oH u a - m i n g ,WE I C h a o - j u n . C h e m i c a l M o d i f i c a t i o no f N a t u r a l M a g n e t i t ea n dI t sA p p l i c a t i o ni nA r s e n i cR e m o v a l f r o ma Wa t e r E n v i r o n m e n t [ J ] . R o c ka n dM i n e r a l A n a l y s i s , 2 0 1 7 , 3 6 ( 1 ) 3 2 - 3 9 . 【 D O I 1 0 . 1 5 8 9 8 / j . c n k i . 1 1 - 2 1 3 1 / t d . 2 0 1 7 . 0 1 . 0 0 5 】 天然磁铁矿化学改性及其在水体除砷中的应用 吴昆明1 , 2,郭华明1 , 3 *,魏朝俊2 ( 1 . 中国地质大学( 北京) 水资源与环境学院,北京 1 0 0 0 8 3 ; 2 . 北京农学院生物科学与工程学院,北京 1 0 2 2 0 6 ; 3 . 中国地质大学( 北京) 生物地质与环境地质国家重点实验室,北京 1 0 0 0 8 3 ) 摘要铁氧化物及其复合氧化物( 如菱铁矿、 水铁矿) 的表面电荷高、 比表面积大, 在特定条件下对亚砷酸盐 和砷酸盐有较强的结合能力和亲和性, 以铁氧化物作为吸附剂处理高砷水已经成为研究热点之一。天然磁 铁矿的主要成分为 F e 3O4, 但其本身活性较弱, 直接应用于处理高砷水的除砷率低。本文对天然磁铁矿采取 酸化、 碱化、 不同温度灼烧、 不同灼烧时间等简易的方法进行改性, 达到有效去除水中砷的目的。实验结果表 明 经0 . 5m o l / L盐酸浸泡、 1 5 0 ℃灼烧1 0m i n 的改性磁铁矿分别处理 A s ( Ⅲ) 溶液和 A s ( Ⅴ) 溶液时, A s ( Ⅴ) 去除率达 9 8 %, 吸附能力显著增强, 达到预期目标; 溶液中 A s ( Ⅲ) 浓度从 1 0 0 0μ g / L下降到 2 5 0μ g / L , 去除 率达 7 5 %, 即 A s 吸附能力明显优于未改性的天然磁铁矿, 与其他改性铁矿除砷能力相近, 而改性方法更加 简便、 易行。本文研究的改性天然磁铁矿吸附剂为控制高砷水的砷含量提供了一种切实可用的吸附材料。 关键词天然磁铁矿;化学改性;水体;砷吸附 中图分类号P 5 7 8 . 1 2 ;O 6 1 3 . 6 3文献标识码A 地球自然活动加上矿业开采、 化工生产、 含砷农 药使用等人类活动, 导致水体砷污染多发[ 1 - 4 ], 长期 饮用高砷水会造成皮肤病变、 肾病、 膀胱癌以及其他 健康问题[ 5 ]。降低水体中砷含量是解决砷污染的 根本途径, 水体除砷技术受到国内外广泛关注[ 6 - 9 ]。 自然水体中, 砷多以 A s ( Ⅲ) 和 A s ( Ⅴ) 两种无机形 态存在, 目前常用的除砷方法有吸附除砷技术、 混凝 除砷技术、 沉淀除砷技术、 反渗透除砷技术、 离子交 换除砷技术、 生物除砷技术和纳滤除砷技术[ 1 0 - 1 6 ], 其中吸附除砷技术效率高、 干扰小、 二次污染少, 吸 附材料再生利用, 被公认为处理高砷水的有效手段。 目前工程上主要以零价铁、 活性氧化铝和活性炭等 作为吸附剂, 但其价格昂贵、 吸附容量低且会出现吸 附剂溶出问题[ 1 7 - 1 9 ]。因此, 获得经济适用、 工艺简 便的除砷吸附材料成为水体除砷技术的关键问题。 铁氧化物及其复合氧化物, 如菱铁矿、 水铁矿等 的表面电荷高、 比表面积大, 在特定条件下对亚砷酸 盐和砷酸盐有较强的结合能力和亲和性, 使得铁氧 化物 作 为 吸 附 剂 处 理 高 砷 水 成 为 研 究 热 点 之一[ 2 0 - 2 4 ]。但应用于高砷水处理的铁氧化物材料 多由实验室制备, 实际应用比较困难, 如赵凯等[ 2 0 ] 采取灼烧活化、 添加黏合剂造粒对天然菱铁矿进行 改性, 使菱铁矿成为高效除砷吸附剂, 但造粒过程繁 琐; 刘春华等[ 2 2 ]应用磁铁矿除砷研究时发现, 将磁 铁矿研磨后的精粉除砷效果有明显改进, 但吸附容 量小, 且精粉的工程应用性较差。本文对具有丰富 资源的天然磁铁矿采取酸化、 碱化、 不同温度灼烧、 不同灼烧时间等简易改性方法, 进而改变磁铁矿的 表面电荷和表面孔隙大小。改性后进行水体中的砷 吸附实验, 达到简便、 高效强化天然磁铁矿去除水中 砷效果的目的, 使其成为一种处理水体中砷的实用 吸附材料。 23 ChaoXing 1 改性磁铁矿吸附剂的制备和改性后除砷 实验 1 . 1 仪器与主要试剂 电感耦合等离子体发射光谱仪( A g i l e n t 7 7 0 0 x 型, 美国 A g i l e n t 公司) ; 箱式电阻炉及数字温度控制 箱( S X- 4- 1 0型, 天津泰斯特公司) 。 电热鼓风干燥箱( G Z X- 9 0 7 0 M B E型, 上海博 讯公司) ; 振荡培养箱( B S D-1 5 0型, 上海博讯公 司) ; 电子分析天平( A L 2 0 4型, 梅特勒 -托利多公 司) ; M I L I -Q超纯水机; p H测试仪; 5 0m L 量筒; 1 0 0 0m L容量瓶; 5 0m L移液管; 1 0 0m L聚乙烯塑料 瓶; 1 0m L塑料离心管; 1 0m L注射器; 0 . 4 5μ m水系 滤膜; 移液枪。 所有玻璃器皿( 容量瓶、 具塞锥形瓶、 量筒、 吸 量管等) 清洗后用 1 0 %硝酸浸泡过夜, 自来水冲洗, 去离子水洗 3~ 4次后, 在电热鼓风干燥箱中烘干 待用。 所用陶瓷平板皿在电阻炉中 2 5 0 ℃空烧 4h , 升 温至 5 5 0 ℃空烧 2h , 6 0 0 ℃空烧 1h , 冷却后继续上 述过程一次, 冷却后放入干燥器中待用。 天然磁铁矿, A s ( Ⅲ) 、 A s ( Ⅴ) 标准溶液( 1 0 0 0 m g / L , 美国 o 2 s i s m a r t s o l u t i o n s 公司) , 氢氧化钠, 浓 盐酸, 去离子水, 硝酸, 硫酸钠, 磷酸钠, 碳酸氢钠, 碳 酸钠, 硝酸钠, 氯化钠, 氯化钙, 氯化镁, 氢氧化钙。 1 . 2 改性磁铁矿的制备 1 . 2 . 1 氢氧化钠改性磁铁矿实验方法 称取 1 0 0g 氢氧化钠置于装有 1 0 0m L超纯水 的聚乙烯瓶中, 密闭放置至溶液清亮。分别移取 5 m L 、 2 6m L 、 5 2m L上层清液置于容量瓶中, 用无二 氧化碳的水定容至 1L , 摇匀, 得到 0 . 1m o l / L 、 0 . 5 m o l / L 、 1m o l / L的氢氧化钠溶液。称取 5 . 0g 磁铁 矿于一系列 2 5 0m L具塞锥形瓶中, 分别加入 0 . 1 m o l / L 、 0 . 5m o l / L 、 1 . 0m o l / L氢氧化钠溶液 5 0m L , 室温下静置4 8h , 倾泻法弃去碱液, 磁铁矿尽可能完 全转移至陶瓷平板皿中, 放入电阻炉中, 控温 1 5 0 ℃ 灼烧1 0m i n , 灼烧后冷却, 倒入合适大小的聚乙烯塑 料袋中, 逐一编号, 获得三种碱改性磁铁矿。 1 . 2 . 2 盐酸改性磁铁矿实验方法 移取8 3 . 3m L浓盐酸于装有一定量超纯水的容 量瓶中, 用水稀释至 1L , 摇匀后得到 1m o l / L的盐 酸溶液, 再稀释该溶液得到 0 . 1m o l / L和 0 . 5m o l / L 的盐酸溶液。称取 5 . 0g磁铁矿于一系列 2 5 0m L 具塞锥形瓶中, 分别加入 0 . 1m o l / L 、 0 . 5m o l / L 、 1 . 0 m o l / L的盐酸溶液 5 0m L , 室温下静置浸泡 4 8h , 倾 泻法弃去酸化溶液后, 将磁铁矿和残余溶液尽可能 完全转移至陶瓷平板皿中, 放入电阻炉中, 设定 1 0 0 ℃、 1 5 0 ℃、 2 0 0 ℃、 2 5 0 ℃、 3 5 0 ℃五个温度梯度, 在 不同温度条件下分别灼烧 1 0 、 3 0 、 6 0 、 1 2 0 、 1 8 0m i n 。 灼烧后冷却, 倒入合适大小的聚乙烯塑料袋中, 逐一 编号, 获得 7 5种不同处理的改性磁铁矿。 1 . 3 改性磁铁矿的吸附实验 准确移取 1 . 0 0m L的 A s ( Ⅲ) 、 A s ( Ⅴ) 标准溶 液于含有一定量水的容量瓶中, 用水稀释至 1L , 摇 匀后得到 1 0 0 0μ g / L的 A s ( Ⅲ) 、 A s ( Ⅴ) 工作溶液, 现用现配。精密电子分析天平准确称取 7 8种不同 处理的改性磁铁矿 0 . 5 0 0 0g 于一系列 1 0 0m L聚乙 烯塑料瓶中, 分别加入 5 0m L的 A s ( Ⅲ) 、 A s ( Ⅴ) 工 作溶液( 浓度均为 1 0 0 0μ g / L ) , 置于振荡培养箱中, 控温 2 5 ℃, 控制 1 5 0r / m i n转速, 恒温振荡 4 8h , 取 出后用 1 0m L注射器移取一定量的上清液, 过 0 . 4 5 μ m滤膜, 转移至 1 0m L塑料离心管中, 滤液用电感 耦合等离子体发射光谱仪测定其中的 A s 浓度和 F e 浓度。仪器操作条件参数设定为 等离子功率 1 5 5 0 W, 等离子气流速 1 5 . 0L / m i n , 辅助气流速 1 . 0 L / m i n , 雾化气流速 0 . 7 0L / m i n , 采样深度 8 . 0m m , O R S 气体( H e ) 流速 4 . 3m L / m i n 。 2 改性磁铁矿的吸附性能研究 2 . 1 磁铁矿碱法改性的吸附性能 称取 0 . 1 、 0 . 5 、 1 . 0m o l / L氢氧化钠溶液浸泡 4 8h , 1 5 0 ℃ 灼 烧 1 0m i n的 三 种 碱 改 性 磁 铁 矿 0 . 5 0 0 0g , 加入 5 0m L的 A s ( Ⅲ) 、 A s ( Ⅴ) 工作溶液 中, 振荡 4 8h 后过滤, 同时做空白和未处理磁铁矿 对照, 滤液中砷浓度和铁浓度列于表 1 。 表 1 含砷水在不同碱性处理磁铁矿作用下的砷含量和 铁含量 T a b l e 1 C o n t e n t s o f a r s e n i c a n di r o ni na l k a l i - t r e a t e dm a g n e t i t e o r eb e f o r ea n da f t e r t h er e m o v a l o f A s 改性条件 含砷水滤液中离子浓度含量( μ g / L ) A s ( Ⅲ)铁离子A s ( Ⅴ)铁离子 空白1 0 5 12 . 61 0 3 13 . 2 未处理磁铁矿1 0 3 93 . 81 0 4 82 . 9 0 . 1m o l / L碱处理后, 1 5 0 ℃灼烧1 0m i n 磁铁矿 1 0 5 63 . 11 0 5 13 . 3 0 . 5m o l / L碱处理后, 1 5 0 ℃灼烧1 0m i n 磁铁矿 1 0 2 63 . 21 0 3 83 . 4 1 . 0m o l / L碱处理后, 1 5 0 ℃灼烧1 0m i n 磁铁矿 1 0 4 42 . 31 0 2 42 . 6 33 第 1期吴昆明, 等 天然磁铁矿化学改性及其在水体除砷中的应用第 3 6卷 ChaoXing 可见, 所用天然磁铁矿短时间内本身几乎不具 有吸附砷的能力, 再者碱性处理的磁铁矿与未改性 磁铁矿的吸附砷能力没有差异, 本研究认为这与水 中砷的离子状态关联。水体中砷多以砷酸盐和亚砷 酸盐存在, 两者均属于阴离子状态[ 2 1 ], 铁氧化物吸 附材料表面不带电荷或带负电荷, 不利于吸附高砷 水中阴离子状态存在的砷酸盐和亚砷酸盐, 应通过 酸化调节其表面微观状态, 通过高温灼烧调节改变 其内部结构, 强化天然磁铁矿的除砷效果。 图 1 0 . 1m o l / L盐酸改性磁铁矿处理砷溶液后溶液中的砷浓度和铁浓度 F i g . 1 C o n c e n t r a t i o n s o f a r s e n i c a n di r o ni nt h e s o l u t i o no f a r s e n i c s o l u t i o nt r e a t e dw i t h 0 . 1m o l / Lh y d r o c h l o r i c a c i dm o d i f i e dm a g n e t i t e 2 . 2 磁铁矿酸法改性的吸附性能 2 . 2 . 1 经 0 . 1m o l / L盐酸改性后磁铁矿除砷结果 从图 1可以看出, 经 0 . 1m o l / L盐酸浸泡, 1 0 0 ~ 3 5 0 ℃的灼烧温度以及 1 0~ 1 8 0m i n的灼烧时间, 改性后的磁铁矿除砷能力依然较弱, 其中0 . 1m o l / L 盐酸酸化 4 8h , 2 0 0 ℃灼烧 1 2 0m i n的改性磁铁矿处 理 1 0 0 0μ g / L的 A s ( Ⅲ) 、 A s ( Ⅴ) 浓度 4 8h , A s ( Ⅲ) 浓度降为 7 8 0μ g / L , A s ( Ⅴ) 溶液降为 7 2 0μ g / L , 除 砷能力相对较高。在条件变化范围内, A s ( Ⅲ) 工作 液的滤液中的铁浓度范围为 4 0 0~1 5 0 0μ g / L , A s ( Ⅴ) 工作液的滤液中的铁浓度范围为 2 0~9 0 μ g / L 。显然, 此系列改性处理磁铁矿吸附 A s ( Ⅲ) 溶液时溶出的铁浓度比吸附 A s ( Ⅴ) 溶液时溶出的 铁浓度高一个数量级, 可能是磁铁矿吸附 A s ( Ⅲ) 时, 主要是吸附作用为主, 交换吸附使得溶于水的铁 离子增多。 整体来看, 用 0 . 1m o l / L盐酸浓度处理, 然后进 行不同灼烧温度和时间继续处理的磁铁矿, 对砷吸 附量与文献研究结果相比, 相对偏弱。本研究认为 这与酸强度偏弱相关, 较低酸强度下, 并不能引起天 然磁铁矿内部结构和表面微观状态的改变。 2 . 2 . 2 经 0 . 5m o l / L盐酸改性后磁铁矿除砷结果 将经过 0 . 5m o l / L盐酸浸泡, 然后在一定温度 下灼烧一定时间的磁铁矿加入 A s ( Ⅲ) 、 A s ( Ⅴ) 工 作溶液中, 以灼烧时间为横坐标, 以溶液中剩余 A s ( Ⅲ) 、 A s ( Ⅴ) 浓度和溶液中铁浓度为纵坐标, 考 察一定温度下不同灼烧时间处理的改性后磁铁矿除 砷效果的差异, 结果如图 2所示。可以看出, 用 0 . 5 m o l / L盐酸浓度处理, 然后进行不同灼烧温度和时 间继续处理的磁铁矿, 对 A s ( Ⅲ) 吸附弱于 A s ( Ⅴ) , 这与其他文献研究结果基本一致。 43 第 1期 岩 矿 测 试 h t t p ∥w w w . y k c s . a c . c n 2 0 1 7年 ChaoXing 图 2 0 . 5m o l / L盐酸改性磁铁矿处理砷溶液后溶液中砷浓度和铁浓度 F i g . 2 C o n c e n t r a t i o n s o f a r s e n i c a n di r o ni nt h e s o l u t i o no f a r s e n i c s o l u t i o nt r e a t e dw i t h 0 . 5m o l / Lh y d r o c h l o r i c a c i dm o d i f i e dm a g n e t i t e 对于 A s ( Ⅲ) 工作液, 在 1 0 0 ℃和 2 0 0 ℃两个灼 烧温度下在不同灼烧时间处理的磁铁矿, 去除 A s ( Ⅲ) 效果具有完全相同的趋势, 灼烧时间越长, 去除 A s ( Ⅲ) 效果越好, 用 0 . 5m o l / L盐酸浸泡后, 控温 1 0 0 ℃或 2 0 0 ℃灼烧 1 8 0m i n的磁铁矿加入 1 0 0 0μ g / L的 A s ( Ⅲ) 溶液中, 4 8h 后溶液中A s ( Ⅲ) 浓度下降到 4 0 0~ 5 0 0μ g / L ; 灼烧温度提高到 2 5 0 ℃ 和 3 5 0 ℃时, 不同灼烧时间的磁铁矿加入 1 0 0 0μ g / L 的 A s ( Ⅲ) 溶液中, 4 8h后溶液中 A s ( Ⅲ) 浓度下降 反而不多, 去除 A s ( Ⅲ) 能力降低; 灼烧温度为 1 5 0 ℃时, 不同灼烧时间处理的磁铁矿, 去除 A s ( Ⅲ) 效果均优于其他处理, 其中 0 . 5m o l / L盐酸浸泡后, 控温1 5 0 ℃灼烧 6 0m i n 的磁铁矿加入1 0 0 0μ g / L的 A s ( Ⅲ) 溶液中, 4 8h后溶液中 A s ( Ⅲ) 浓度下降到 2 5 0μ g / L 。在条件变化范围内, 高温灼烧且灼烧时 间越长处理的改性磁铁矿, 加入 A s ( Ⅲ) 溶液中振荡 4 8h 后, 铁溶出浓度越低, 较低的铁溶出浓度为 3 0 0 μ g / L , 反之铁溶出浓度越高, 最高达 1 4 0 0 0μ g / L 。 灼烧温度为 1 0 0 ℃下在不同灼烧时间处理的磁 铁矿, 去除 A s ( Ⅴ) 效果的趋势是时间越长, 去除 A s ( Ⅴ) 效果越好。将 0 . 5m o l / L盐酸浸泡后, 控温 1 0 0 ℃灼烧不同时长的磁铁矿加入 1 0 0 0μ g / L的 A s ( Ⅴ) 溶液中, 4 8h后溶液中 A s ( Ⅴ) 浓度下降到 5 0 0 、 3 0 0 、 1 0 0 、 9 0 、 7 0μ g / L 。溶液中铁浓度为 9 3 0 0 、 6 7 0 0 、 6 5 0 0 、 5 8 0 0 、 3 0 0 0μ g / L 。可以认为, 0 . 5m o l / L盐 酸浸泡后产生一定量的低分子类铁盐, 1 0 0 ℃下灼烧, 灼烧时间越长, 低分子铁盐在磁铁矿表面结合紧密, 溶出少, 同时磁铁矿比表面或内部结构产生改变, 吸 附 A s ( Ⅴ) 能力增强。灼烧温度为 1 5 0 ℃下不同灼烧 时间处理的磁铁矿, 去除 A s ( Ⅴ) 效果的趋势是时间 越长, 去除 A s ( Ⅴ) 效果呈减弱趋势, 经 0 . 5m o l / L盐 酸浸泡后, 控温1 5 0 ℃灼烧不同时长的磁铁矿中加入 1 0 0 0μ g / L的A s ( Ⅴ) 溶液中, 4 8h 后溶液中A s ( Ⅴ) 浓 度下降到了2 0 、 5 0 、 9 0 、 7 0 、 1 6 0μ g / L , 溶液中铁浓度为 5 0 、 1 5 0 、 1 0 0 、 3 0 0 、 2 2 0μ g / L 。可以认为, 0 . 5m o l / L盐 酸浸泡产生一定量的低分子类铁盐, 1 5 0 ℃下的实验 灼烧时间内, 低分子铁盐在磁铁矿表面结合基本稳 定, 同时, 磁铁矿比表面或内部结构变化使得吸附 A s ( Ⅴ) 能力增强。继续提高灼烧温度处理的磁铁矿, 去除 A s ( Ⅴ) 效果开始降低; 灼烧温度越高, 去除 53 第 1期吴昆明, 等 天然磁铁矿化学改性及其在水体除砷中的应用第 3 6卷 ChaoXing A s ( Ⅴ) 能力急剧下降, 而溶液中铁浓度基本稳定在 2 0 0 ~ 3 0 0μ g / L 。本研究认为, 在 2 0 0 ℃、 2 5 0 ℃、 3 5 0 ℃ 下灼烧, 在实验灼烧时间内, 低分子铁盐在磁铁矿表 面或内部可能形成烧结, 占据部分空位中心, 造成磁 铁矿去除 A s ( Ⅴ) 能力降低。 2 . 2 . 3 经 1m o l / L盐酸改性后磁铁矿除砷结果 将盐酸酸化浓度提高至更高的1 . 0m o l / L , 在同 样的温度控制和同样的灼烧时间变化下, 处理后的 磁铁矿加入 A s ( Ⅲ) 、 A s ( Ⅴ) 工作溶液中, 除砷结果 如图 3所示。 图 3 1 . 0m o l / L盐酸改性磁铁矿处理砷溶液后溶液中砷浓度和铁浓度 F i g . 3 C o n c e n t r a t i o n s o f a r s e n i c a n d i r o n i n t h e s o l u t i o n o f a r s e n i c s o l u t i o n t r e a t e d w i t h 1 . 0m o l / Lh y d r o c h l o r i c a c i d m o d i f i e d m a g n e t i t e 对于 A s ( Ⅲ) 工作液, 将 1 . 0m o l / L盐酸浸泡 后, 控温 1 0 0 ℃灼烧不同时长的磁铁矿加入 1 0 0 0 μ g / L的 A s ( Ⅲ) 溶液中, 4 8h 后溶液中 A s ( Ⅲ) 浓度 仅仅下降到 4 0 0~ 6 0 0μ g / L , 溶液中铁浓度在 2 0 0 0 0 μ g / L左右; 控温 1 5 0 ℃和 2 0 0 ℃灼烧不同时长的磁 铁矿加入 1 0 0 0μ g / L的 A s ( Ⅲ) 溶液中, 4 8h 后溶液 中 A s ( Ⅲ) 浓度仅仅下降到 2 0 0~ 6 0 0μ g / L , 溶液中 铁浓度在 1 0 0 0~2 0 0 0 0μ g / L的宽范围区间; 控温 2 5 0 ℃灼烧不同时长的磁铁矿加入 1 0 0 0μ g / L的 A s ( Ⅲ) 溶液中, 4 8h后溶液中 A s ( Ⅲ) 浓度仅仅下 降到 4 0 0~ 7 5 0μ g / L , 溶液中铁浓度在 2 5 0~ 1 3 0 0 0 μ g / L范围; 控温 3 5 0 ℃灼烧不同时长的磁铁矿加入 1 0 0 0μ g / L的 A s ( Ⅲ) 溶液中, 4 8h 后溶液中A s ( Ⅲ) 浓度范围为 7 5 0~ 9 5 0μ g / L , 溶液中铁浓度范围为 1 5 0~ 5 0 0μ g / L 。可见, 用 1 . 0m o l / L盐酸浸泡磁铁 矿产生更多的低分子铁盐, 但去除 A s ( Ⅲ) 能力不 高。对于 A s ( Ⅴ) 工作液, 将 1 . 0m o l / L盐酸浸泡 后, 控温 1 0 0 ℃灼烧不同时长的磁铁矿加入 1 0 0 0 μ g / L的 A s ( Ⅴ) 溶液中, 4 8h 后溶液中 A s ( Ⅴ) 浓度 下降到 1 0 0~7 0 0μ g / L , 溶液中铁浓度在 1 0 0 0 0~ 4 0 0 0 0μ g / L范围内; 控温1 5 0 ℃和2 0 0 ℃灼烧不同时 长的磁铁矿加入 1 0 0 0μ g / L的 A s ( Ⅴ) 溶液中, 4 8h 后溶液中 A s ( Ⅴ) 浓度下降到 2 0~ 1 5 0μ g / L , 溶液 中铁浓度在 3 0 0~ 1 5 0 0 0μ g / L范围; 控温 2 5 0 ℃和 3 5 0 ℃灼烧不同时长的磁铁矿加入 1 0 0 0μ g / L的 A s ( Ⅴ) 溶液中, 4 8h 后溶液中 A s ( Ⅴ) 浓度增大, 溶 液中铁浓度降低。这与去除 A s ( Ⅲ) 的趋势相同, A s ( Ⅴ) 的吸附优于 A s ( Ⅲ) 。 2 . 3 优选高效改性方法 将上述不同改性条件实验结果进行对比, 结果 63 第 1期 岩 矿 测 试 h t t p ∥w w w . y k c s . a c . c n 2 0 1 7年 ChaoXing 见表 2 , 可以看出碱改性方法基本对砷的去除没有 效果, 而盐酸的改性条件中 0 . 1m o l / L盐酸浸泡后 的磁铁矿除砷效果也不佳; 0 . 5m o l / L盐酸浸泡后 的磁铁矿除砷效果明显增强, 其中浸泡后 1 5 0 ℃灼 烧 1 0m i n的 改 性 磁 铁 矿 对 A s ( Ⅴ)去 除 率 达 9 8 . 1 %; A s ( Ⅲ) 去除率达 6 6 . 9 %, 虽然在浸泡后 1 5 0 ℃灼烧6 0m i n 的改性磁铁矿对 A s ( Ⅲ) 去除率达 7 5 . 3 %, 但对 A s ( Ⅴ) 去除率只有 9 0 . 7 %; 1m o l / L 盐酸浸泡后 1 5 0 ℃灼烧 1 0m i n 的改性磁铁矿除砷效 果对A s ( Ⅴ) 去除率达 9 8 . 4 %, 但对 A s ( Ⅲ) 去除率 只有3 9 . 7 %。根据以上实验结果, 综合考虑 改性方 法简便, 实验条件需求低, 除砷率高。可以优选出在 水体除砷中表现优秀的改性方法 将磁铁矿由 0 . 5m o l / L 盐酸浸泡 4 8h 后在 1 5 0 ℃下灼烧 1 0m i n 。 该方法达到了预期目标。 表 2 不同条件处理磁铁矿对含砷水的砷去除率 T a b l e2 R e m o v a lr a t eo fA s - c o n t a i n i n gw a t e rt r e a t e dw i t h m o d i f i e dm a g n e t i t e 改性条件 水体中砷的去除率( %) A s ( Ⅲ)A s ( Ⅴ) 不同浓度碱处理后, 1 5 0 ℃灼烧 1 0m i n 磁铁矿 00 0 . 1m o l / L盐酸处理后, 1 5 0 ℃灼烧 1 0m i n 磁铁矿 1 3 . 21 8 . 6 0 . 5m o l / L盐酸处理后, 1 5 0 ℃灼烧 1 0m i n 磁铁矿 6 6 . 99 8 . 1 1 . 0m o l / L盐酸处理后, 1 5 0 ℃灼烧 1 0m i n 磁铁矿 3 9 . 79 8 . 4 2 . 4 改性磁铁矿与相关材料的吸附性能对比 目前, 利用铁矿处理废水中 A s 的方法, 其效果 比较好的有天然磁铁矿和改性菱铁矿。对比三种材 料的吸附容量结果见表 3 , 可以看出改性后的磁铁 矿效果明显优于单一研磨处理, 改性磁铁矿的除砷 吸附容量与改性菱铁矿相近, 但改性方法更简便易 行, 便于工程化利用, 为该吸附剂的进一步推广应用 提供了良好的条件。 3 结论 对天然磁铁矿, 采用不同碱化、 酸化改性后, 控 制不同灼烧温度和不同灼烧时间进行改性。将不同 改性条件后的改性天然磁铁矿分别应用于高浓度 A s ( Ⅲ) 溶液和 A s ( Ⅴ) 溶液, 对比除砷能力和铁溶 出程度。研究表明, 经 0 . 5m o l / L盐酸处理后1 5 0 ℃ 灼烧1 0 m i n 的改性磁铁矿对A s ( Ⅴ) 去除率达到 表 3 不同种铁矿对 A s 的吸附容量比较 T a b l e 3 C o m p a r i s o no f a d s o r p t i o nc a p a c i t yo f A sw i t hv a r i o u s i r o no r e 吸附剂改性方法 A s ( Ⅲ) 吸附容量 ( μ g / g ) A s ( Ⅴ) 吸附容量 ( μ g / g ) 参考 文献 天然磁铁矿研磨取2 0 0目粉末7 6 94 1 6[ 2 2 ] 改性天然磁铁矿 0 . 5m o l / L盐 酸 浸 泡 4 8h 后在 1 5 0 ℃下灼烧 1 0m i n 9 8 71 0 1 2本文 改性菱铁矿 研磨1 5 0目后与黏合剂 和去离子水混合, 用注 射器挤压条状, 然后放 入马弗炉中灼烧活化, 取出后切割成所需粒径 1 0 3 91 0 2 6[ 2 1 ] 9 8 . 1 %, A s ( Ⅲ) 去除率达 6 6 . 9 %, 具有较好的除 A s 吸附效果, 且铁溶出量低。与已有文献对比显示, 本 研究的吸附剂改性方法简便, 吸附容量大, 可以作为 一种非常好的高效廉价除砷材料, 可用于高砷地下 水中 A s 的处理。另外, 根据文献相关研究, 可进一 步对本吸附剂的室内吸附柱实验及现场小规模除砷 装置处理天然高砷水的实验进行研究, 使得该吸附 剂达到实际应用目的。 4 参考文献 [ 1 ] 陈保卫, C h r i s LX . 中国关于砷的研究进展[ J ] . 环境 化学, 2 0 1 1 , 3 0 ( 1 1 ) 1 9 3 6- 1 9 4 3 . 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