FeMn‒Cl‒LDHs水滑石对水中As（Ⅲ）的固定和机理研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0681

摘要/Abstract

摘要：

砷（As）污染被认为是当前世界最严峻的环境问题之一，许多国家都存在着不同程度的As污染。砷是一种有毒元素，主要以As（Ⅴ）和As（Ⅲ）2种价态的无机物形态存在于自然环境中。相比As（Ⅴ），As（Ⅲ）的危害性更大。通过共沉淀法构建铁锰基水滑石（FeMn?Cl?LDHs），研究了其对水中As（Ⅲ）的固定及其机理。试验结果表明，在pH为2~8范围内，FeMn?Cl?LDHs对As（Ⅲ）的去除率保持在97%左右；共存离子SiO₃^2-、PO₄^3-、CO₃^2-和As（Ⅲ）存在竞争吸附，而Ca²⁺、Mg²⁺、NO₃^-和SO₄^2-对As（Ⅲ）的去除影响较小。FeMn?Cl?LDHs对As（Ⅲ）的去除过程符合拟二级动力学模型和Langmuir模型，在298 K时，FeMn?Cl?LDtHs对As（Ⅲ）的最大吸附量为61.86 mg/g。FeMn?Cl?LDHs对As（Ⅲ）的去除机理可能存在氧化还原作用、离子交换和络合。经过5次吸附?解吸试验，FeMn?Cl?LDHs对水中As（Ⅲ）的去除率仍保持在90%以上。FeMn?Cl?LDHs对水中As（Ⅲ）的去除和毒性控制具有良好的环境应用潜力。

关键词: FeMn?Cl?LDHs, As（Ⅲ）, 吸附, 氧化

Abstract:

Arsenic（As） pollution is considered to be one of the most serious environmental problems in the world at present，which exists in many countries to varying degrees. Arsenic is a toxic element that exists in the natural environment mainly in the form of inorganic substances in two valence states，As（Ⅴ） and As（Ⅲ）. Compared with As（Ⅴ），As（Ⅲ） is more harmful.In present work，FeMnbased hydrotalcite（FeMn?Cl?LDHs） was constructed by coprecipitation method to investigate the immobilization and mechanism of As（Ⅲ） in water. The test results showed that the removal rate of As（Ⅲ） by FeMn?Cl?LDHs was about 97% in the range of pH 2?8. The existing ions of SiO₃^2-，PO₄^3-，CO₃^2-had competitive adsorption with As（Ⅲ），while Ca²⁺，Mg²⁺，NO₃^- and SO₄^2- had little effect on the As（Ⅲ） removal. The adsorption process of As（Ⅲ） by FeMn?Cl?LDHs was in accordance with the pseudo second order kinetic model and Langmuir isotherm. The maximum adsorption capacity was 61.86 mg/g at 298 K. The mechanism of As（Ⅲ） removal by FeMn?Cl?LDHs might be redox，ion exchange and complexation. After five adsorption?desorption experiments，the removal rate of As（Ⅲ） in water by FeMn?Cl?LDHs remained above 90%，which indicated that FeMn?Cl?LDHs had good potential for environmental application in the removal and toxicity control of As（Ⅲ） in water.

Key words: FeMn?Cl?LDHs, As（Ⅲ）, adsorption, oxidation

中图分类号:

X703

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https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I3/139

图/表 10

图1 FeMn?Cl?LDHs吸附As（Ⅲ）前（a）和吸附As（Ⅲ）后（b）的SEM图

Fig. 1 FeMn?Cl?LDHs SEM images before （a） and after （b） adsorption of As（Ⅲ）

图2 FeMn?Cl?LDHs的N₂吸附?脱附等温线（a）、孔径分布（b）、XRD（c）和不同pH下的Zeta电位（d）

Fig.2 N₂adsorption?desorption isotherm（a），pore size distribution（b），XRD（c）and zeta potential（d）of FeMn?Cl?LDHs

图3 FeMn?Cl?LDHs去除As（Ⅲ）的动力学和不同时刻As物种浓度的变化

Fig.3 Kinetics of As（Ⅲ） removal by FeMn?Cl?LDHs and variation of As species concentration at different minutes

表1 动力学拟合参数

Table 1 The kinetic fitting parameters

实际

吸附量/ （mg·g^-1）

拟一级动力学模型

拟二级动力学模型

q_e/ （mg·g^-1）

k₁/

min^-1

R²

q_e/ （mg·g^-1）

k₂/

（g·mg^-1·min^-1）

R²

图4 等温吸附模型与吸附平衡后溶液中Cl^-的释放量
Cl^- in solution after adsorption equilibrium

Fig.4 Isothermal adsorption model and release amount of

表2 吸附等温拟合参数

Table 2 Fitting parameters of adsorption isotherm

温度/K	Langmuir模型			Freundlich模型
温度/K	q_max/ （mg·g^-1）	K_b	R₁²	K_f	n	R₂²
288	57.88	1.539	0.958	33.58	5.001	0.777
298	61.86	2.419	0.946	38.75	5.270	0.762
308	62.72	4.031	0.958	42.51	5.999	0.736

图5 环境因素对去除As（Ⅲ）的影响

Fig.5 Effects of environmental factors on As（Ⅲ） removal

图6 吸附As（Ⅲ）前后的FeMn?Cl?LDHs的FTIR表征结果

Fig. 6 FTIR spectra of FeMn?Cl?LDHs before and after As（Ⅲ） removal

图7 去除As（Ⅲ）前后的FeMn?Cl?LDHs的XPS图谱

Fig.7 The XPS spectrum of FeMn?Cl?LDHs before and after As（Ⅲ） removal

图8 吸附?解吸试验结果

Fig. 8 Adsorption?desorption experiments result

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