重金属离子在水合氧化铁（铝）/水体系的微界面过程研究

论文摘要

近年来工业重金属离子污染已成为世界性的难题。重金属离子会对水体中生活的生物体产生毒害作用,且可以通过食物链效应危害人类的身体健康。重金属中Cr（Ⅵ）对人体有致癌,致畸,致突变的作用,是国际公认的三种致癌金属物之一。大量证据显示,在受污染的水体和土壤中,重金属离子与铁（铝）氧化物之间的相互作用很大程度上控制着其在环境中的滞留、迁移、生物可利用性与毒性等。因此,研究和探讨重金属离子在铁（铝）氧化物/水界面的吸附-解吸平衡性质和动力学过程,对于认识自然环境中铁系氧化物在影响污染物的环境行为方面作用的本质具有重要的意义。本论文以水合氧化铁（铝）为吸附剂,系统研究环境温度下不同重金属离子[Cr（Ⅲ）、Cr（Ⅵ）、Pb（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）]在水合氧化铁（铝）/水界面上的吸附平衡性质和动力学规律。本论文主要研究内容及研究成果包括：（1）模拟自然环境条件合成了水合氧化铁（铝）,并采用XRD,FT-IR和BET等手段进行了表征。考察各种因素如pH值、离子强度、共存阳离子、阴离子、有机酸以及温度等对其吸附Cr（Ⅲ）性能的影响。结果表明：相同条件下,三种吸附剂的吸附容量：Fh>FAh-5/2>FAh-5/8,Cr（Ⅲ）的吸附主要形成内层络合物。共存阳离子中A13+存在对Cr3+专属吸附位点的竞争,Cu2+、Zn2+、Cd2+对Cr3+的非专属吸附位点产生竞争。H2PO4-,S042-,C2O42-,F,HCO3-的存在均促进了吸附剂对Cr（Ⅲ）的吸附。共存有机酸（柠檬酸,酒石酸）对Cr（Ⅲ）的影响规律均呈“抛物线”的形式。Cr（Ⅲ）在Fh、FAh-5/2、FAh-5/8上的吸附可用朗格缪尔等温吸附模型描述,D-R模型得到的参数吸附能说明三种吸附剂的吸附均是化学吸附；Cr（Ⅲ）在三个体系的吸附反应均符合准二级反应动力学方程,颗粒内扩散模型虽然存在于吸附过程中,但不是唯一的速控步骤；Cr（Ⅲ）在三个体系的吸附等温线和解吸等温线不重合表明吸附过程均是不可逆的。（2）以Cr（Ⅵ）为模拟重金属离子污染物,系统研究了其在水合氧化铁（铝）/水界面上的吸附过程,考察了pH、离子强度、阴离子、有机酸等对其吸附性能的影响,并深入探讨了吸附过程的动力学和热力学规律。离子强度影响表明水合氧化铁（铝）对Cr（Ⅵ）的吸附以专属吸附为主。阴离子（H2PO4-, SO42-, C2O42-，F-，HCO3-）和有机酸（柠檬酸,酒石酸）的存在通过竞争作用抑制·Cr（Ⅵ）的吸附。吸附等温线的结果表明Cr（Ⅵ）在水合氧化铁（铝）上的吸附可用朗格缪尔等温吸附模型描述且吸附均为热力学不可逆过程；吸附动力学参数表明Cr（Ⅵ）在水合氧化铁（铝）上的吸附可用准二级反应动力学方程描述；吸附热力学函数△H0和△S0的计算结果表明Cr（Ⅵ）在水合氧化铁（铝）上的吸附是吸热、熵减的过程。（3）考察了Fh对Pb（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）和Cu（Ⅱ）三元体系的吸附性能。结果表明：Pb（Ⅱ）、 Cr（Ⅲ）和Cu（Ⅱ）的吸附均可用朗格缪尔吸附等温模型来描述,吸附容量Cu（Ⅱ）三种重金属离子之间存在对吸附位点的竞争,Pb（Ⅱ）对Cr（Ⅲ）和Cu（Ⅱ）的抑制作用最强,Cu（Ⅱ）对Pb（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）的抑制作用最弱。Pb（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）和Cu（Ⅱ）的吸附反应符合准二级反应动力学方程；Pb（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）和Cu（Ⅱ）吸附反应的活化能分别为：49.19、83.51和50.94 kJ/mol;活化焓分别为：27.62、80.89和29.81 kJ/mol;活化熵分别为：-168.51、-118.24和-160.83 J/（mol K）。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 重金属离子的危害
• 1.1.1 铅（Ⅱ）的危害
• 1.1.2 铜（Ⅱ）的危害
• 1.1.3 铬（Ⅲ）与铬（Ⅵ）的危害
• 1.2 国内外对废水中重金属离子处理的研究现状
• 1.3 水合氧化铁（铝）微观结构研究及对重金属离子的吸附性能
• 1.4 本论文的研究意义和研究内容
• 第二章 实验部分及样品的表征
• 2.1 主要试剂及仪器
• 2.1.1 实验所用的仪器
• 2.1.2 试剂
• 2.1.3 吸附剂（Fh、FAh-5/2、FAh-5/8）的制备
• 2.1.4 标准溶液的配制
• 2.2 实验操作方法
• 2.2.1 吸附实验
• 2.2.2 解吸实验
• 2.3 实验结果的处理方法
• 2.3.1 平衡吸附研究
• 2.3.2 吸附等温线
• 2.3.3 吸附动力学
• 2.3.4 吸附热力学
• 2.4 水合氧化铁（铝）的表征
• 2.4.1 红外谱图
• 2.4.2 X-射线衍射谱图
• 2.4.3 BET
• 2.4.4 三种吸附剂的零电点
• 第三章 水合氧化铁（铝）对Cr（Ⅲ）的吸附性能的探究
• 3.1 水合氧化铁（铝）对Cr（Ⅲ）吸附性能的初探
• 3.1.1 pH值对吸附性能的影响
• 3.1.2 吸附剂用量对吸附性能的影响
• 3.1.3 离子强度对吸附性能的影响
• 3.1.4 反应时间的确定
• 3+和Al³⁺沉淀先后顺序不同对吸附性能的影响'>3.1.5 Fe³⁺和Al³⁺沉淀先后顺序不同对吸附性能的影响
• 2+、Zn²⁺、Cd²⁺)对吸附性能的影响'>3.1.6 二价金属离子(Cu²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺)对吸附性能的影响
• 3.1.7 共存阴离子对吸附性能的影响
• 3.1.8 可溶性有机酸对吸附性能的影响
• 3.2 水合氧化铁（铝）对Cr（Ⅲ）吸附热力学研究
• 3.2.1 朗格缪尔和费兰德里希吸附等温线
• 3.2.2 D-R模型
• 3.2.3 吸附可逆性研究
• 3.2.4 吸附-解吸等温线
• 3.3 Fh、FAh-5/2、FAh-5/8对Cr（Ⅲ）吸附动力学研究
• 3.4 Cr（Ⅲ）在水合氧化铁（铝）/水界面上的吸附热力学
• 3.5 小结
• 第四章 水合氧化铁（铝）对Cr（Ⅵ）吸附性能的研究
• 4.1 水合氧化铁（铝）对Cr（Ⅵ）吸附性能的初探
• 4.1.1 体系pH对吸附性能的影响
• 4.1.2 离子强度对吸附性能的影响
• 4.1.3 吸附剂用量对吸附性能的影响
• 4.1.4 共存阴离子对Cr（Ⅵ）吸附性能的影响
• 4.1.5 可溶性有机酸对Cr（Ⅵ）吸附性能的影响
• 4.2 水合氧化铁（铝）对Cr（Ⅵ）吸附动力学的探究
• 4.2.1 反应时间对吸附性能的影响
• 4.2.2 准一级动力学和准二级动力学
• 4.2.3 Elovich模型
• 4.2.4 颗粒内扩散模型
• 4.3 水合氧化铁（铝）对Cr（Ⅵ）吸附等温模型的确定
• 4.3.1 朗格缪尔和费兰德里希吸附模型
• 4.3.2 D-R模型
• 4.4 吸附可逆性的研究
• 4.5 吸附-解吸等温线
• 4.5.1 不同pH条件下的解吸
• 4.6 吸附热力学
• 4.7 小结
• 第五章 Fh对三元体系Pb（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cu（Ⅱ）的吸附研究
• 5.1 体系pH值对吸附性能的影响
• 5.2 三元体系中Pb（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cu（Ⅱ）的竞争吸附探究
• 5.3 三元体系中Pb（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cu（Ⅱ）的吸附等温线
• 5.3.1 朗格缪尔和弗兰德里希等温线
• 5.3.2 D-R吸附等温模型
• 5.4 Fh对Pb（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cu（Ⅱ）吸附动力学的探究
• 5.4.1 准一级动力学和准二级动力学
• 5.4.2 颗粒内扩散模型
• 5.4.3 Pb（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cu（Ⅱ）在Fh/水界面上的吸附热力学
• 5.5 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢