论文部分内容阅读
锑元素被认为对所有生命形式都具有高度毒性，已被世界卫生组织分类为强致癌物质。环境中的锑可经由摄入污染的水、食物或者空气进入人体而影响健康。饮用水锑污染是一个世界性问题，开发可高效去除水中锑的方法已成为研究人员的一个重要挑战。吸附作为一种成熟、经济、简单的水处理方式已广泛应用于饮用水中污染物的去除。但使用后吸附剂与出水的“固-液分离”是限制吸附工艺应用的主要问题。近年来发展的磁性铁基吸附剂可借助磁场以比传统沉淀过滤法快几百倍的进行固-液分离。通过在合成过程中向Fe3O4磁性颗粒中掺杂其他元素(X-doped Fe3O4，X=Cu，Ce，Mn等)可大大提高其对水中锑去除能力，同时还能够保留足够的磁分离特性。更进一步，“磁性铁基吸附剂-磁分离”联用工艺将有效解决吸附剂的“固-液分离”难题，对高效、低成本水处理技术的开发具有重要意义。 论文首先研究比较了非掺杂和Cu掺杂Fe3O4对水中Sb(Ⅲ)和Sb(Ⅴ)的去除能力和机理。研究发现，与非掺杂的Fe3O4相比较，Cu掺入Fe3O4使其表现出更小的颗粒尺寸和较低的饱和磁化强度，同时极大提高其对水中锑的去除能力。其中，非掺杂Fe3O4在pH7.0下显示出34.46mg Sb(Ⅲ)g-1和7.07mg Sb(Ⅴ)g-1的最大吸附容量（Qmax）。Cu的掺杂将吸附剂的Qmax分别提高至43.55mg Sb(Ⅲ)g-1和30.92mg Sb(Ⅴ)g-1。共存的硫酸根和碳酸根离子对吸附量影响很小，而10mM磷酸根的存在可使Cu-doped Fe3O4的Sb(Ⅲ)和Sb(Ⅴ)吸附容量分别减少14.1％和58.6％。吸附过程中溶液中Sb价态分析结果表明，Cu-doped Fe3O4表面的“≡CuⅡ-O”比“≡FeⅢ-O”位点具有更强的氧化活性，同时溶液中溶解氧量并不对水中Sb被氧化量有影响。由此推测，电子从Sb(Ⅲ)到Cu(Ⅱ)转移时会形成Cu(Ⅰ)和Sb(Ⅴ)并向溶液中释放，然后Cu(Ⅰ)会随之歧化反应而产生Cu(Ⅱ)离子和Cu(0)沉淀。 为进一步提高磁性吸附剂对水中Sb(Ⅴ)的去除效率，采用溶剂热法将Ce(Ⅲ)掺杂到Fe3O4中合成铈掺杂Fe3O4磁性吸附剂，并考察了不同Ce∶Fe掺杂比例条件下其对Sb(Ⅲ)和Sb(Ⅴ)的吸附效果。基于XPS，XRD和FT-IR等表征综合结果，证实Ce原子成功掺入到Fe3O4结构中，同时可导致吸附剂的粒径减小以及表面积和等电点的上升。与未掺杂Fe3O4相比，Ce掺杂材料的Sb(Ⅲ)和Sb(Ⅴ)吸附能力分别从111.4增加到224.2mg g-1以及从37.2增加到188.1mg g-1。此外，拥有最大掺杂量(Fe∶Ce=5∶5)的Ce-doped Fe3O4在仅76mT磁场条件下10min内即可完全固液分离。 新型磁性铁基吸附剂研究基础上开发了“磁性吸附剂-超导磁分离”水处理工艺。研究首先验证了MnFe2O4对水中As和Sb的吸附行为，之后通过现场连续流实验评估了“吸附-超导磁分离”技术的应用可行性。MnFe2O4纳米颗粒能够在6h内去除水中98.6％的As和91.6％的Sb，同时促进As(Ⅲ)和Sb(Ⅲ)氧化。该工艺“吸附段”完成后，含有磁性吸附剂的混合液进入超导高梯度磁分离系统进行固液分离。结果表明，该系统的磁截留容量取决于“磁场梯度”、“混合液流速”以及“钢丝填充比例”。3.0T磁场与无磁场条件相比，系统对MnFe2O4颗粒的捕集能力增加超过3倍。此外，流速从1.0L min-1增加到3.0L min-1可将磁性吸附剂穿透点从35分钟提前到15分钟。当钢丝填充率从5％降低到3％，由于有效捕获区域的减少，系统捕获能力下降13.7％。该系统对天然污染河水样品中As、Sb的去除效率分别高达94.6％和76.8％。 以上研究成果表明，利用溶剂热法掺杂元素至Fe3O4磁性颗粒对提升磁性吸附剂锑的去除效率是十分有效的，同时也验证了“吸附-磁分离”联用工艺具有良好的应用前景，该论文为学科交叉强化水处理技术奠定了坚实的理论和实践基础。