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随着大量含铬废水的排放,Cr(Ⅵ)已经成为全球最主要的重金属污染物之一,广泛存在于水体、土壤等环境介质中。由于Cr(Ⅵ)容易在环境介质中迁移且具有高毒性,因此其容易被人体接触并造成危害,严重时可引起致癌作用。Cr(Ⅵ)的处理方法主要包括还原沉淀法、离子交换法、反渗透法和吸附法等。其中,吸附法是一种传统但经济有效、技术简单的六价铬废水处理方法。作为一种新兴的吸附材料,纳米四氧化三铁具有许多优点,例如比表面积大和反应活性高等特性,尤其是利用其磁性容易进行分离回收。但是,制备成本较高、吸附容量低是目前该技术所面临的主要问题。因此,从原料上控制四氧化三铁材料的成本,同时通过修饰改性以提高其吸附性能,对拓宽纳米四氧化三铁技术的应用范围具有重要意义。 本文利用钢铁酸洗废液制备纳米四氧化三铁并用乙二胺(EDA)进行修饰改性,制得EDA-Fe3O4纳米颗粒。通过透射电镜、扫描电镜、X射线光电子能谱等手段对所制备的EDA-Fe3O4纳米颗粒进行表征。将该材料应用于处理水中六价铬,研究多种工艺因素对EDA-Fe3O4纳米颗粒吸附六价铬的影响,包括吸附剂投加量、初始pH、六价铬初始浓度、吸附时间、废水中共存离子等。利用不同吸附等温线方程、吸附动力学方程、吸附热力学方程对实验数据进行拟合,分析吸附行为和机制。结合实验研究和光谱技术研究,通过反应产物成分和物料平衡的分析,探讨了EDA-Fe3O4纳米颗粒吸附六价铬的机理。考察了不同脱附剂和工艺对脱附效果的影响,并通过多个周期的连续吸附-脱附实验,研究材料的重复利用性能。最后,考察了材料在吸附反应后的形态改变和材料流失,以评价其化学稳定性。 表征结果表明,EDA-Fe3O4纳米颗粒为立方晶体,平均粒径为20-50 nm,比表面积为28 m2/g。吸附研究表明,纳米颗粒投加量越大、反应时间越长、六价铬初始浓度和溶液初始pH值越低,则六价铬的去除效果越好。水中共存的铜离子和镍离子均能促进六价铬的去除。在HCrO4-/SO42-和HCrO4-/CI-混合体系中,EDA-Fe3O4纳米颗粒对六价铬的吸附选择性高。吸附动力学符合拟二级动力学方程,平衡速率常数k2随着温度的升高而增大。吸附等温线方程符合Langmuir吸附等温线模型,且随着温度的升高,吸附能系数KL降低,最大吸附量qm增大。常温下,由Langmuir吸附等温线求出的最大吸附量为81.3mg/g,高于文献报道的大部分吸附剂。热力学研究表明,反应为自发的、吸热的。结合实验室研究和XPS光谱技术,推断吸附机理为静电吸引(pH<pHzpc)和配位络合(pH> pHzpc)。EDA-Fe3O4 NPs具有很强的磁性,在吸附六价铬之后,通过外加的磁场,可以快速将吸附剂从溶液中分离开来。EDA-Fe3O4 NPs在吸附过程中具有很好的化学稳定性,通过XPS表征发现反应后吸附剂表面各元素的电子结合能没有发生变化。EDA-Fe3O4纳米颗粒具有良好的重复利用性能,经过连续八个周期的吸附-脱附过程,仍然保持较高的吸附活性。同时,重复利用过程中铁的流失量很小,几乎可以忽略不计。这说明EDA-Fe3O4 NPs是一种良好的六价铬吸附剂。