Characteristics and model studies for fluoride and arsenic adsorption on goethite

Fluoride and arsenic are major anionic elements of concern in drinking water treatment. The effects of contact time, pH, surface loading and ionic strength on adsorption of fluoride and As(V) were investigated using batch methods. Adsorption of fluoride and As(V) onto goethite obeyed a pseudo second-order rate law. Through experimental data and adsorption kinetic analysis, the affinity of As(V) onto goethite was stronger than fluoride. Fluoride and As(V) uptake by goethite all decreased with pH increasing at the same surface loading; however, ionic strength had slight influence on their adsorption. A surface sites-species model was used to quantify the adsorption of fluoride and As(V) onto goethite as function of pH and surface loading. This model can satisfactorily predict their adsorption characteristics with several adsorption constants.     

草酸盐介导下含As(V)黄钾铁矾的相转化过程与As(V)的再分配行为

黄钾铁矾能够通过吸附和共沉淀作用固定酸性矿山废水（AMD）中的重（类）金属（如砷）,降低其迁移性和生物可利用性.草酸盐广泛存在于天然水环境中,其具有的羧酸官能团能改变铁矿物的稳定性,进而影响吸持的重（类）金属的再分配行为.利用水热法合成含As（V）黄钾铁矾,探究其在不同草酸盐浓度与pH条件下的溶解、重结晶和共沉淀As（V）的行为.研究结果表明,草酸盐与含As（V）黄钾铁矾表面Fe（III）活性位点配位形成的可溶性强络合物是促进矿物溶解的第一步和关键;在pH 2.5时,含As（V）黄钾铁矾的溶解速率随草酸盐浓度增加而增加,伴随大量As（V）释放到溶液,反应过程中只有少量As（V）重新吸附到固相上,这是由于草酸盐与As（V）竞争矿物表面的同一活性位点;在pH 6.5条件下,草酸盐促进含As（V）黄钾铁矾的重结晶,经X射线衍射分析表明针铁矿和纤铁矿为主要产物,能有效地吸附释放的As（V）.研究结果有助于揭示在AMD环境下黄钾铁矾沉积物与含羧酸官能团有机酸共存时对As（V）的释放和固定机理,对AMD环境中As（V）污染控制有重要意义.     

负载型纳米铁吸附剂去除饮用水中As(Ⅴ)的研究

以活性炭为载体制备了一种负载型纳米铁吸附剂.纳米铁在活性炭孔内为针状,其直径为30～500 nm,长度为1 000～3 000 nm,载入量[m(Fe)/m(炭)]为82.1 mg/g.用1.5 g/L该吸附剂对pH 6.5、 (25±2)℃、 2 mg/L的As(Ⅴ)进行吸附其去除率为99.5%,在平衡浓度1.0 mg/L时,该吸附剂对As(Ⅴ)的吸附容量为15.4 mg/g;吸附速度较快,12 h可达91.4%,72 h达到吸附平衡.吸附过程可由孔内扩散模型较好地说明.除PO_4~(3-)、SiO_4~(2-)外其它常见阴阳离子均对As(Ⅴ)的去除影响不大.吸附剂可以用0.1 mol/L NaOH溶液再生,再生效率较高.实验室初步实验数据表明,该吸附剂对饮用水砷去除具有较好的应用前景.     

三种氧化铁吸附水环境中砷的试验研究

采用两种人工合成的氧化铁(针铁矿、水铁矿)和赤铁矿作为吸附剂,对含砷(三价砷及三价五价砷混合液)水进行了吸附试验。结果表明,在初始浓度为1200μg/L的As(Ⅲ)溶液中,水铁矿的吸附效果最好,针铁矿和赤铁矿吸附效果较差;在初始pH为7,As(Ⅲ)和As(Ⅴ)摩尔比为1:1的混合液中时,三种铁矿对总砷的吸附效果均随着As/Fe摩尔比的增大而减小;在A(sⅢ)和As(Ⅴ)摩尔比为1:1的混合液中,吸附总砷效果最好的是针铁矿,水铁矿次之,赤铁矿的吸附效果最差;A(sⅤ)的存在对除砷效果有一定的影响,三价砷和五价砷共存时,三种铁矿对其吸附具有一定的选择性。     

富里酸对针铁矿吸附Cr(Ⅵ)的影响机理

为研究复杂三元体系中FA(fulvic acid,富里酸)对针铁矿吸附Cr(Ⅵ)的影响,探究FA对重金属Cr(Ⅵ)在环境中迁移转化的作用机理,通过改变FA的添加顺序及添加量,系统研究了FA存在时Cr(Ⅵ)在针铁矿上的吸附行为.结果表明:不添加FA时,离子强度增大促进了针铁矿对Cr(Ⅵ)的吸附;ρ(FA)为50 mg/L时,离子强度增加会抑制针铁矿对Cr(Ⅵ)的吸附.pH为6.98、离子强度为1.0 mol/L时,针铁矿对Cr(Ⅵ)的吸附量比不添加FA时高11.0%.pH为2.98时,添加FA后针铁矿对Cr(Ⅵ)的吸附量最大,比不添加FA时高31.9%.无论是否添加FA,升温均有利于针铁矿对Cr(Ⅵ)吸附,其吸附机理可能是氢键、偶极间力等作用.FA的添加顺序对Cr(Ⅵ)吸附量的影响表现为后添加FA>先添加FA>同时添加FA>对照.研究显示,FA的存在能显著改变针铁矿对Cr(Ⅵ)的吸附行为.      

不同{021}/{110}晶面暴露比针铁矿对As(Ⅴ)吸附特性的研究

为探究针铁矿不同晶面对As(Ⅴ)的吸附能力,该研究制备两种具有不同比例{021}/{110}晶面的针铁矿,利用XRD、FTIR、N₂吸附脱附等温线、SEM、TEM等技术表征材料的晶体结构、比表面积和表面形貌等情况. 通过等温吸附和吸附动力学试验,研究不同初始As(Ⅴ)浓度、pH和竞争阴离子影响下,两种针铁矿吸附As(Ⅴ)的差异性. 结果表明:①制备的针铁矿Goe-A和Goe-B均为高纯针铁矿,Goe-A和Goe-B的比表面积分别为92.76和46.78 m2/g. ②As(Ⅴ)在针铁矿表面的吸附更符合Freundlich等温吸附模型和准二级动力学模型,表明吸附是以多层吸附和化学吸附为主;经比表面积归一化后,发现含有更高比例{021}/{110}晶面的Goe-B表面拥有更好的吸附性能,在pH=4时吸附量达到0.304 mg/m2,是Goe-A的1.57倍. ③pH会影响针铁矿的吸附,吸附量随着pH的增加而降低,而在碱性条件下Goe-B表现出更强的吸附能力. 随As(Ⅴ)浓度的增加,大量配体吸附引起的点位竞争效应大于pH变化引起的静电力作用. ④吸附前后XRD的变化表明,As(Ⅴ)主要吸附在针铁矿表面,而不是结合到针铁矿的晶体结构中;而FTIR和XPS分析发现,As(Ⅴ)通过与Fe—OH配体交换形成了新的络合物(Fe—O—As)吸附在针铁矿表面. 研究显示,含有更高比例{021}/{110}晶面的针铁矿表现出更强的吸附性能,是修复环境砷污染的理想吸附剂.      

腐殖酸对针铁矿吸附磷的影响机理

通过添加HA(Humic acid,腐殖酸),研究不同环境条件下HA对针铁矿吸附磷的影响. 结果显示,加入HA能显著降低磷吸附量,pH为4.5时分别加入100和40 mg/L HA,磷的最大吸附量分别降低了26.6%和25.6%;pH为7.0时分别加入100和40 mg/L HA,磷的最大吸附量分别降低了26.8%和23.1%. 不同添加顺序试验结果表明:针铁矿对磷的吸附量大小顺序为后添加HA>同时添加HA和磷>先添加HA;无论是否添加HA,针铁矿对磷的吸附量都随着pH的升高而降低,相应的吸附等温线也都符合Langmuir吸附等温方程;总有机碳和红外光谱特征表明,HA和磷在针铁矿表面吸附点位形成竞争吸附,并且针铁矿表面的羟基在吸附磷和HA的过程中起到了一定的作用.      

磁性吸附材料CuFe2O4吸附砷的性能

根据Cu(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)都对砷有较强的亲和性,制备了同时含有Cu(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)的、可用磁分离方法进行分离回收的磁性吸附材料CuFe₂O₄,并对其进行了表征及吸附砷的性能研究.结果表明,该吸附剂对砷的吸附能力与溶液pH有关,在弱酸性及中性条件下,吸附砷的能力最强,而对As(V)的吸附能力比对As(Ⅲ)更强些,在平衡浓度为10μg/L时,其吸附容量可达10mg/g左右,可以很容易地将水中浓度为1～20mg/L的As(V)降到10μg/L以下.实验考察了几种无机阴离子对吸附砷的影响,表明较高浓度(砷浓度的20倍)的硫酸盐对As(Ⅲ)和As(V)的吸附均有一定影响,盐酸盐及磷酸盐则影响不明显;负载的As(V)可较容易地用0.1mol/L NaOH洗脱下来,使吸附剂再生,而As(Ⅲ)则难以洗脱,这与2种价态砷的吸附机理不同有关.     

砷酸根对砖红壤中铜吸附和解吸影响的初步研究

研究了加砷酸根对砖红壤吸附铜及随后吸附性铜的解吸的影响.结果表明,加砷后土壤对铜的吸附量和解吸量均增加.随砷加入量的增加,土壤对铜的吸附量和吸附性铜的解吸量均增加.在pH值为3 4至5 2范围内,砷对铜吸附的促进作用随pH值的增加而增加,约在pH值为4 5时达最大,然后逐渐减小.表面电荷的测定结果和铜的解吸实验结果均说明砷酸根主要通过自身的吸附来增加土壤的表面净负电荷,从而增加土壤对铜的吸附量.     

运用涂铁砂粒进行分散式饮水除砷的效果

采用铁盐处理普通河砂研制成涂铁砂粒(IOCS),通过静态和动态吸附试验观察其分散式饮水除砷效果,并选取地砷病现场进行了验证.结果表明,IOCS性质较为稳定,扫描电镜下可见铁氧化物呈片状分散的覆盖在砂粒表层;IOCS无需活化处理,其对砷的最大吸附发生在30min～60min;pH5～9时,五价砷的去除率随着pH值的升高而下降,三价砷的去除率变化不明显.IOCS对砷的吸附符合朗格缪尔(Langmuir)吸附方程;5次滤柱循环中,75g(50ml)的IOCS分别处理含砷1.0mg·L^-1的水样408～426床(三价砷),390～412床(五价砷),用0.2 mol·L^-1NaOH进行再生处理,砷回收率均在94%以上.充填IOCS 3.0kg的家庭用模拟装置处理含1.0mg·L^-1的五价砷209L和198L,三价砷196L和185L,并在现场实验期间,连续处理含砷0.202～1.733mg·L^-1的水样200L,对水质亦无不良影响.无论是经济上还是技术上,IOCS均是适合于分散式饮水除砷的一种新型除砷剂.     

Effect of ionic strength on adsorption of As（Ⅲ） and As（Ⅴ） on variable charge soils

The study was to investigate the adsorption behavior of arsenite (As(Ⅲ)) and arsenate (As(Ⅴ)) on two variable charge soils, i.e., Haplic Acrisol and Rhodic Ferralsol at different ionic strengths and pH with batch methods. Results indicated that the amount of As(Ⅲ) adsorbed by these two soils increased with increasing solution pH, whereas it decreased with increasing ionic strength under the acidic condition. This suggested that As(Ⅲ) was mainly adsorbed on soil positive charge sites through electrostatic attraction under the acidic condition. Moreover, intersects of As(Ⅴ) adsorption-pH curves at different ionic strengths (a characteristic pH) are obtained for both soils. It was noted that above this pH, the adsorption of As(Ⅴ) was increased with increasing ionic strength, whereas below it the reverse trend was true. Precisely the intersect pH was 3.6 for Haplic Acrisol and 4.5 for Rhodic Ferralsol, which was near the values of PZSE (soil point of zero salt effect) of these soils. The effects of ionic strength and pH on arsenate adsorption by these soils were interpreted by the adsorption model. The results of zeta potential suggested that the potential in adsorption plane becomes less negative with increasing ionic strength above soil PZSE and decreases with increasing ionic strength below soil PZSE. These results further supported the hypothesis of the adsorption model that the potential in the adsorption plane changes with ionic strength with an opposite trend to surface charge of the soils. Therefore, the change of the potential in the adsorption plane was mainly responsible for the change of arsenate adsorption induced by ionic strength on variable charge soils.     

铁改性杭锦土吸附剂对水中砷的去除研究

为提高天然杭锦土对水溶液中砷的吸附性能,采用氯化铁（FeCl₃·6H₂O）浸渍天然黏土矿物杭锦土（HJ）,制备表面负载铁氧化物的铁改性杭锦土除砷吸附剂（FHJ）.通过比表面积（BET）和扫描电镜（SEM）分析技术对材料进行表征以观察其微观形貌特点,通过X射线光电子能谱分析（XPS）和傅里叶红外光谱（FTIR）技术测定材料组成及化学基团,以初步探究材料吸附除砷机理.通过批试验考察FHJ投加量、初始pH、共存离子及腐殖酸浓度对FHJ除砷效能的影响.结果表明:①当铁负载比在0~50wt%范围内时,FHJ对溶液中As（Ⅴ）吸附容量随着铁负载比的增加而增加,最佳铁负载比为33wt%,此时铁与杭锦土的理论质量比为1:3.②BET分析结果表明经铁改性后,杭锦土比表面积显著增加,由71.14 m2/g增至158.50 m2/g;SEM分析显示,经改性后杭锦土表面形貌发生明显变化,结合Mapping图表明铁被有效负载到杭锦土表面.③批试验结果表明,As（Ⅴ）去除率随着FHJ投加量的增加而升高;溶液pH对As（Ⅴ）去除率有较大的影响,pH的降低有利于FHJ对砷酸盐的吸附.④FHJ除砷性能受溶液中共存离子CO₃2-、SiO₃2-影响较大,但受Cl-、SO₄2-、NO₃-及腐殖酸影响程度比较小.⑤吸附动力学过程符合准二级动力学模型,Freundlich等温吸附模型可更好地描述FHJ吸附除砷行为（R2=0.999）.⑥XPS分析结果显示,铁氧化物主要以FeOOH和Fe₂O₃的形态负载于杭锦土表面,FTIR表明FeOOH的羟基基团同As（Ⅴ）发生吸附作用,在FHJ除砷过程中,化学吸附是主要的吸附除砷机理.研究显示,铁改性杭锦土除砷效果良好,具有一定的应用潜力.      

阳离子表面活性剂改性的活性炭吸附砷(V)和砷(Ⅲ)

选用阳离子表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）、癸基三甲基溴化铵（MTAB） 以及三甲基正十四烷溴化铵（DTAB） 改性活性炭. 结果发现,表面活性剂加载使得活性炭的比表面积、孔径体积和表面Zeta电位发生改变. 改性后的活性炭用来吸附水中的砷酸盐和亚砷酸盐. 吸附等温实验结果显示,改性后活性炭对砷酸盐的吸附能力有显著提高,但对亚砷酸盐则只有在pH>10才有明显吸附.无论对砷酸盐还是亚砷酸盐,CTAC改性效果均要好于MTAB和DTAB. 改性后活性炭对砷酸盐的吸附主要通过离子交换,但离子交换并不是唯一的吸附机理. 砷酸盐的吸附受到溶液pH值和水中其他阴离子的竞争吸附的影响.中性pH范围内吸附最佳,而阴离子对砷酸盐的竞争则是PO₄^3- >SO₄^2- > NO₃^-.     

高岭石、针铁矿及其二元体对胡敏酸的吸附特性

研究了高岭石、针铁矿及其混合物(KGM)和复合物(KGC)的表面性质及吸附胡敏酸的特性.结果表明,4种物质的比表面积(SSA)表现为针铁矿KGCKGM高岭石,KGM的SSA接近两种纯物质的平均值,而KGC的SSA明显升高.高岭石、针铁矿、KGM和KGC的等电点(IEP)分别为3.2、7.9、6.1和6.7;初始p H=5.0时,其表面Zeta电位分别为-13.9、38.2、14.3和19.7 m V.4种样品对胡敏酸的动力学吸附过程适合用准二级动力学模型描述,表明化学吸附是主要作用机制.一、二位Langmuir模型可较好地拟合等温吸附数据(R~2为0.962~0.993),其中二位Langmuir模型对KGM和KGC吸附数据的拟合度R~2分别为0.989和0.993;Freundlich模型对等温吸附数据的拟合度较低,但两种二元体的拟合度高于两种纯物质.初始p H=5.0时,高岭石、针铁矿、KGM和KGC对胡敏酸的吸附容量(q_(max))分别为6.02、61.83、35.13和42.10 mg·g~(-1);两种二元体的q_(max)都高于两种纯物质q_(max)的平均值,其中KGC的q_(max)明显升高.热力学参数表明,4种样品对胡敏酸的吸附均属于吸热反应,其中高岭石的吸附为非自发过程,其余样品的吸附为自发过程.     

Oxidation of Cr(III) on birnessite surfaces: The effect of goethite and kaolinite

Oxidation of Cr(III) by manganese oxides may pose a potential threat to environments due to the formation of toxic Cr(VI) species. At present, it was still unclear whether the extent of Cr(III) oxidation and fate of Cr(VI) would be changed when manganese oxides co-exist with other minerals, the case commonly occurring in soils. This study investigated the influence of goethite and kaolinite on Cr(III) oxidation by birnessite under acidic pH condition (pH 3.5) and background electrolyte of 0.01 mol/L NaCl. Goethite was found not to affect Cr(III) oxidation, which was interpreted as the result of overwhelming adsorption of cationic Cr(III) onto the negatively-charged birnessite (point of zero charge (PZC) < 3.0) rather than the positively-charged goethite (PZC = 8.8). However, more Cr(VI) would be retained by the surface with the increase in addition of goethite because of its strong ability on adsorption of Cr(VI) at low pH. Moreover, either Cr(III) oxidation or distribution of the generated Cr(VI) between the solid and solution phases was not affected by kaolinite (PZC < 3.0), indicating its low affinity for Cr species. Reactions occurring in the present mixed systems were suggested, which could be partly representative of those in the soils and further indicates that the mobility and risk of Cr(VI) would be decreased if goethite was present.     

水化学条件对海泡石吸附重金属镍(Ni2+)离子的影响及其机制研究

本论文用静态实验法研究了重金属镍(Ni2+)离子在海泡石上的吸附行为和机理,考察了平衡时间、pH值、离子强度、腐殖酸、背景电解质阴、阳离子等水化学条件对吸附作用的影响.结果发现:Ni(Ⅱ)在海泡石上的吸附在很短的时间里就可以达到平衡.Ni(Ⅱ)在海泡石上的吸附受体系pH值和离子强度影响很大,在酸性条件下,主要吸附机理是外层络合和离子交换,而在碱性条件下,主要的吸附机理是内层络合.背景电解质阴、阳离子对Ni(Ⅱ)在海泡石上的吸附有一定的促进或抑制作用.在低pH值下,腐殖酸在海泡石上吸附后形成了新的表面络合物而增强Ni(Ⅱ)的吸附,而在高pH值的条件下,腐殖酸存在于吸附体系时,Ni(Ⅱ)的吸附量明显小于Ni(Ⅱ)/海泡石吸附体系.本为的研究结果为环境中重金属离子和放射性核素的危害评估和有效治理提供了很好的参考.     

环境材料对污染土壤中Pb、Cd和As的吸附解吸研究

通过模拟实验考察了环境材料沸石(FS)和蛇纹石(SS)在不同pH值下对土壤Pb、Cd、As的吸附与解吸结果,探索环境材料对土壤重金属的固化效果。结果表明:对于Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)污染土壤,土壤吸附量随pH升高而增加;在酸性条件下,SS促进土壤对Pb(Ⅱ)的吸附;在碱性条件下,FS促进土壤对Cd(Ⅱ)的吸附;同时SS与FS使土壤对Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的解吸量大幅度降低。SS促进土壤对AsO-2的吸附,但该吸附量与pH变化无关;SS对AsO-2的解吸量影响不大,且该解吸量随pH升高而升高。SEM分析可知,FS与SS吸附重金属后形态变化显著。可见所用的环境材料对重金属Pb、Cd、As有明显的固化作用。     

CTAC改性活性炭去除水中砷(V)的柱实验吸附和再生研究

为了开发一种能有效去除水中砷的吸附材料, 研究了十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)改性活性炭后, 活性炭对水中五价砷As(V)的去除效果.研究中利用动态小柱实验(Rapid small-scale column test, RSSCT)探讨了CTAC改性后活性炭对砷的吸附能力、影响吸附能力的因素和活性炭再生方法.结果表明, CTAC改性能有效提高活性炭对As(V)的吸附.活性炭对As(V)的吸附受溶液pH、空床接触时间、进水中砷浓度及水中其他离子存在的影响.另外, 1 mol·L^-1的盐酸能有效对吸附穿透后的活性炭进行再生,再生后的活性炭可以重复使用.同时,柱实验中对出水CTAC的检测结果表明, CTAC和活性炭的结合非常稳定.     

铁锰双金属材料在不同pH条件下对土壤As和重金属的稳定化作用

pH是影响土壤As和重金属赋存形态及稳定化过程的重要因素,本文以人工合成的铁锰双金属材料(FMBO)为研究对象,研究了其在不同pH条件下对3种As和重金属复合污染土壤的稳定化作用,同时探讨了材料添加对土壤pH和酸碱缓冲性的影响.结果表明,As、Pb元素分别在土壤pH 3~9的中性偏酸性条件、pH 5~10的中性偏碱性条件下较为稳定,Cd、Zn、Cu在pH为7~11的碱性条件下浸出浓度较低.在碱性条件下,FMBO材料自身稳定性及稳定化作用均优于酸性条件,在As和重金属稳定的最适pH范围内,随着材料添加量增加,稳定化效率逐渐升高,其对As、Pb、Cd、Zn、Cu的稳定化效率最高分别能达到92.7%、100%、97.0%、88.7%、82.7%.添加FMBO材料可使土壤pH值升高,并能够提高土壤的酸缓冲能力,对As和重金属的长期稳定性有促进作用,而对土壤碱缓冲作用影响较小.从浸出元素的相关关系可以看出,Fe元素对土壤中As的稳定性有重要作用,Pb、Cd、Zn、Cu的稳定性受土壤pH影响较大.     

施加牛粪熟肥对黄土吸附双酚A的影响

为研究施加腐熟牛粪对黄土吸附BPA（双酚A）的影响,采用批量平衡试验法,分析不同因素[如黄土粒径、体系温度、初始ρ （BPA）、离子强度、pH等]对BPA在黄土及施加牛粪熟肥黄土上吸附量的影响.结果表明:BPA在黄土中的吸附均符合先快后慢并最终达到平衡的吸附规律,准二级动力学模型能较好地描述其吸附动力学过程.BPA在黄土与施加腐熟牛粪黄土上的解吸量远小于其吸附量,说明吸附-解吸过程中存在解吸滞后性.黄土与施加腐熟牛粪黄土对BPA的热力学吸附过程符合Freundlich等温吸附模型,并且吸附等温线符合L-型吸附等温模式,BPA的吸附吉布斯自由能（ΔGθ） < 0,焓变（ΔHθ） < 0,熵变（ΔSθ） < 0,表明该吸附属于混乱程度减小、可自发放热的吸附过程.影响因素分析结果显示,黄土对BPA的吸附量随其粒径的减小而增大,而不论是否施加腐熟牛粪,其对BPA的吸附量均随体系温度升高而减少,且随初始ρ （BPA）的增加而升高.此外,加入的阳离子（Ca2+、Mg2+）会与BPA形成竞争吸附,不论是黄土还是施加腐熟牛粪黄土,其对BPA的吸附量均随加入阳离子浓度的升高而降低.当pH为3~7时,黄土与施加腐熟牛粪黄土对BPA的吸附量随着pH的升高而增加,而pH为7~10时对BPA的吸附量变化较小,表明该范围内pH变化对黄土与施加腐熟牛粪黄土吸附BPA的影响不明显.研究显示,施加牛粪等腐熟肥可能导致BPA的吸附行为发生改变.