δ-MnO_2降低无机三价砷毒性的研究

文章利用自制的δ-MnO2对剧毒性无机A(sⅢ)进行了氧化吸附过程的实验室研究,考察了反应进程中各形态砷的变化,同时进一步对与高浓度A(sⅢ)反应前后δ-MnO2的结构和形貌进行了X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和拉曼光谱(Raman)鉴定。实验结果表明,δ-MnO2通过氧化和吸附作用对A(sⅢ)的毒性去除效果显著,60 min内溶液中A(sⅢ)消失了72.3%。形态学研究表明,反应前后δ-MnO2的XRD图没有明显变化;而SEM图显示,反应后δ-MnO2的蜂窝状结构其固体孔隙比反应之前明显变小;EDX的数据显示δ-MnO2固体中出现了一定含量的As元素;δ-MnO2反应前后Raman光谱的吸收强峰由649 cm-1处变化到865 cm-1处,也表明出现了一部分可以永久固定在δ-MnO2固体内的A(sV)。该研究认为,δ-MnO2具有较强氧化和吸附活性,可以大大降低三价无机砷的毒性。     

Mn(Ⅲ)在水钠锰矿氧化Cr(Ⅲ)反应中的作用

环境中的氧化锰矿物是可氧化Cr(Ⅲ)的唯一天然无机氧化剂,氧化锰矿物与Cr(Ⅲ)相互作用的反应速率与机制备受关注.本研究以水钠锰矿为对象,采用批量动力学方法研究了其结构中Mn(Ⅲ)在氧化Cr(Ⅲ)反应中的作用及动力学特点.结果表明,水钠锰矿氧化Cr(Ⅲ)符合准一级动力学方程,表观速率常数Kobs为0.0313 min-1,以Na4P2O7预处理水钠锰矿可络合出结构中的部分Mn(Ⅲ),使其Mn的平均氧化度升高.当处理Na4P2O7浓度为10、20、50 mmol/L时,其Mn氧化度由3.50升高至3.63、3.73和3.78,处理后的水钠锰矿对Cr(Ⅲ)的平衡氧化率增加,但初始氧化速率变化并不明显,其相应表观速率常数分别为0.0351、0.0325和0.0309 min-1.水钠锰矿氧化Cr(Ⅲ)的反应历程中,Mn(Ⅳ)→Mn(Ⅲ)的电子转移过程生成的Mn(Ⅲ)显著影响水钠锰矿氧化Cr(Ⅲ)的速率.当新生成Mn(Ⅲ)被Na4P2O7络合后,反应速率降低45%~88%,且水钠锰矿的氧化度较低时,结构中Mn(Ⅲ)含量高,反应中被络合的新生态Mn(Ⅲ)多,反应速率降低幅度相对较大.因此,反应新生成的Mn(Ⅲ)具有较高的反应活性和较快的电子转移速率,而Mn(Ⅳ)→Mn(Ⅲ)的电子转移速率较慢,可能为水钠锰矿氧化Cr(Ⅲ)的反应速率控制步骤.     

土壤中铬的化学行为研究 Ⅱ.土壤对Cr(Ⅵ)吸附和还原动力学

通过在Cr(Ⅵ)溶液中加入0.01mol/L KH_2PO_4方法把土壤对Cr(Ⅵ)吸附和还原作用加以区分,研究了几种土壤对Cr(Ⅵ)吸附和还原动力学。结果表明:土壤中Cr(Ⅵ)的还原反应基本上可由两个一级反应来表示,其反应速率常数与土壤有机质含量及其可氧化性有关,土壤对Cr(Ⅵ)的吸附过程可用Elovich公式、双常数速率公式和抛物线扩散公式来描述,土壤对Cr(Ⅵ)的吸附量与游离氧化铁含量密切相关,随反应时间的延长,Cr(Ⅵ)吸附量占溶液中Cr(Ⅵ)减少量的比例下降,Cr(Ⅵ)还原量所占比例逐渐增加。     

δ-MnO2/水界面17β-雌二醇的氧化转化

采用化学合成的新生态水合δ-MnO2为氧化剂,研究其对17β-雌二醇(E2)氧化转化的反应动力学,考察相关因素(如pH、δ-MnO2投加量等)对氧化转化的影响,并通过气相色谱质谱联用仪(GC/MS)分析δ-MnO2氧化转化E2的产物,探讨氧化转化的反应机制.结果表明,E2对新生态水合δ-MnO2的氧化作用具有较强的反应感受性,且在pH值一定和δ-MnO2充分过量的条件下,E2氧化转化的反应动力学并不是简单的准一级反应动力学,而是遵循复合的反应动力学.E2的氧化转化速率与δ-MnO2的投加量呈正相关,在δ-MnO2投加量为c(E2)∶c(MnO2)=1∶100时,反应体系中的δ-MnO2已足够,E2浓度在8h内降低了90%以上.E2的氧化转化速率与pH值的增加呈负相关,pH为4.0时,E2在0.25h内去除率达到95%,而在pH为6.8和9.0时,E2在1h内只去除了80%和75%.另外,在反应过程中检测到了2个主要产物,分别为雌酮(E1)和2-羟雌二醇,并在此基础上结合相关文献提出了氧化转化流程.     

Cr(Ⅵ)对两种黏土矿物在单一及复合溶液中Cu(Ⅱ)吸附的影响

采用批量吸附实验研究了高岭石和蒙脱石两种黏土矿物对Cu(Ⅱ)的吸附,利用各种吸附模型分析了两种黏土矿物对单一Cu(Ⅱ)溶液及Cu(Ⅱ)-Cr(Ⅵ)复合溶液中Cu(Ⅱ)的吸附机制,同时探讨了pH对两种黏土矿物Cu(Ⅱ)吸附的影响,旨在搞清土壤中重金属的环境化学行为并为土壤中重金属复合污染的修复提供依据.结果表明,高岭石和蒙脱石对单一及复合溶液中Cu(Ⅱ)的吸附是一个先快后慢的过程,120 min基本达到吸附平衡;二级动力学方程为描述两种黏土矿物Cu(Ⅱ)吸附的最佳动力学模型(R2>0.983),其次是内表面扩散模型和一级动力学模型.内表面扩散模型和Boyd模型拟合结果均说明发生在矿物边缘和表面的膜扩散作用是影响吸附的限速步骤.高岭石对Cu(Ⅱ)的吸附符合Freundlich方程(R2>0.971),说明高岭石表面有多种能量不一致的吸附位点,即为不均匀表面;而蒙脱石对Cu(Ⅱ)的吸附符合Langmuir方程(R2>0.983),说明其为单层分子吸附,即化学吸附.两种黏土矿物对Cu(Ⅱ)的吸附均随pH的升高呈先升高后下降的趋势,在pH=5.0时达到最大吸附量;且以Q蒙脱石>Q高岭石,Q单一Cu>Q Cu-Cr复合.Cr(Ⅵ)存在会降低Cu(Ⅱ)的吸附,以pH=6.0时Cr(Ⅵ)对Cu(Ⅱ)的吸附影响最小.     

Cr(Ⅵ)吸附-还原机制建模与蚕沙吸附性能研究

利用复合反应动力学探讨天然Cr(Ⅵ)生物吸附材料的Cr(Ⅵ)-TCr联合动力学建模问题,以蚕沙为例,用拟合参数定量化评价蚕沙除Cr(Ⅵ)和TCr的能力,并推导建立Cr(Ⅵ)和TCr共参数动力学方程组模型。通过动力学批量实验,探究不同初始pH下蚕沙-Cr(Ⅵ)体系中溶液pH、Cr(Ⅵ)、TCr随时间的变化规律,并确定去除Cr(Ⅵ)与TCr的最佳工作pH。结果显示:最佳工作pH为2.0,此时总铬的平衡吸附量为2.37 mg/g;共参方程组拟合偏差小于Cr(Ⅵ)与TCr一级动力学方程的和;不同初始pH下拟合参数提示Cr(Ⅲ)的解吸导致其残留,且残留量随pH的升高而减小;Cr(Ⅵ)去除速率常数的对数与溶液氢离子的变化量存在线性关系。     

EXAFS研究Zn在δ-MnO2上的吸附-解吸机理

用延展X-ray吸收精细结构光谱(EXAFS)研究了重金属Zn(Ⅱ)在δ-MnO2上吸附产物的微观结构及其吸附机制.在pH 5.50,0.1mol/L NaNO3介质中,吸附在δ-MnO2表面上Zn(Ⅱ)以六配位的水合离子八面体形式存在.水合锌离子八面体从δ-MnO2层状结构的空位上下方,与δ-MnO2的结构单元MnO6八面体通过共用O原子结合,形成角-角结合的弱吸附,Zn-O平均原子间距为(2.071±0.007)A(n=3),Zn-Mn平均原子间距为(3.528±0.006)A(n=3).在同一条等温线上随着吸附量增加,以角-角结合的弱吸附形式基本上没有变化.宏观的吸附-解吸实验结果显示Zn(Ⅱ)在δ-MnO2上的吸附可逆性很高,解吸等温线和吸附等温线几乎重合在一起EXAFS结果从分子水平表明,Zn(Ⅱ)在δ-MnO2上的高吸附可逆性是由角-角形式弱吸附所导致的.     

应用纳米零价铁处理模拟含Cr(Ⅵ)无氧地下水

研究了实验室自制的纳米零价铁处理模拟含Cr(Ⅵ)无氧地下水的影响因素、吸附动力学,并结合体系中Fe2+浓度、氧化还原电位、Zeta电位和理论计算得到的pe-pH图对纳米零价铁去除Cr(Ⅵ)的机制进行了探讨.实验结果表明,纳米零价铁对Cr(Ⅵ)的去除率随着初始Cr(Ⅵ)/Fe质量比的升高而降低.当溶液的pH为7.0,初始Cr(Ⅵ)/Fe质量比为0.025、0.050、0.075和0.100时,相应地Cr(Ⅵ)的去除率分别为100.0%、85.6%、72.7%和39.6%.酸性条件更有利于纳米零价铁对Cr(Ⅵ)的去除,当初始Cr(Ⅵ)/Fe质量比为0.100,溶液的pH为3.0、5.0、7.0、9.0和11.0时,体系中Cr(Ⅵ)的去除率分别为73.4%、57.6%、39.6%、44.1%和41.2%.纳米零价铁去除Cr(Ⅵ)的过程符合拟二级动力学方程.当溶液的pH为7.0,初始Cr(Ⅵ)/Fe质量比为0.025时,吸附速率常数(k)最大,为9.76×10-3g.(mg.m in)-1.Cr2O27-吸附到纳米零价铁表面后被迅速地还原为Cr3+,生成的Cr3+与纳米零价铁表面的FeOOH结合生成Cr-Fe膜.而Cr-Fe膜将阻断电子在纳米零价铁与Cr2O27-之间的传输,Cr(Ⅵ)得不到还原,从而纳米零价铁对Cr2O27-的去除以吸附为主.     

Cr(Ⅵ)在Fe(Ⅲ)-柠檬酸盐体系中紫外光还原研究

研究了在紫外光照射下,Fe(Ⅲ)-柠檬酸盐溶液对Cr(Ⅵ)的光还原反应.同时,考察了溶液pH值、Fe(Ⅲ)浓度、柠檬酸盐浓度、Cr(Ⅵ)初始浓度对光还原效率的影响,并分析了光还原反应的动力学.研究结果表明,Fe(Ⅲ)-柠檬酸盐体系能光还原Cr(Ⅵ),在pH为2.0～6.0的范围内,Cr(Ⅵ)的还原率随着溶液初始pH值的降低而增大.当pH值为2.0、Fe(Ⅲ)浓度为10μmol·L-1、柠檬酸盐浓度为250μmol·L-1及Cr(Ⅵ)初始浓度为19.2μmol·L-1时,光照反应8min后Cr(Ⅵ)的最大还原率达到100%,但当pH值增加到6.0时,Cr(Ⅵ)的最大还原率下降到19%;当Cr(Ⅵ)的初始浓度在9.6～96.0μmol·L-1的范围内时,Cr(Ⅵ)光还原反应的初始速率随着Fe(Ⅲ)、柠檬酸盐(cit3)、Cr(Ⅵ)初始-浓度的增加而增加.表观动力学方程为:-dCCr(Ⅵ)/dt=0.1019[Cr(Ⅵ)]0.[Fe(Ⅲ)]0.[cit3]0..536-25     

铬(Ⅵ)在铁(Ⅲ)-丙酮酸盐体系中的紫外光还原研究

初步研究了含有Fe(Ⅲ)及丙酮酸盐的溶液在紫外灯照射下对铬(Ⅵ)的光还原反应．考察了溶液pH值、Fe(Ⅲ)浓度、丙酮酸钠浓度、Cr(Ⅵ)浓度对反应的影响;分析了光还原反应的动力学及反应机制．结果表明,铁．丙酮酸盐体系能够光还原Cr(Ⅵ);最佳pH为3．0;Cr(Ⅵ)光还原的初始速率随着加入的铁(Ⅲ)、丙酮酸盐、Cr(Ⅵ)初始浓度的增加而增加;表观动力学方程为-dCcr(Ⅵ)／dt=0．023[Cr(Ⅵ)]^0.25[Fe(Ⅲ)^0.96[CH3COCOONa]^0.66;Fe(Ⅲ)-丙酮酸盐配合物光解产生的Fe(Ⅱ)是Cr(Ⅵ)的主要还原剂．     

模拟环境条件下δ-MnO_2氧化As(Ⅲ)的搅拌流动动力学特征

采用搅拌流动法研究了酸性水钠锰矿及水羟锰矿2种δ-MnO2矿物氧化As(Ⅲ)的动力学过程,构建了可用于多相体系的搅拌-流动氧化还原反应动力学模型.经过As吸附量的校正后,该模型对酸性水钠锰矿及水羟锰矿氧化As(Ⅲ)动力学数据拟合度分别为0.980和0.951,模型拟合得到pH 7时2种矿物单位比表面上氧化As(Ⅲ)的初始反应速率常数k分别为0.131,0.014min-1·m-2.相比而言,该速率常数明显高于批量法得到的表观速率常数kobs,0.021,0.001min-1?m-2更接近真实的化学动力学参数.搅拌流动法与批量法得到的不同矿物的速率常数大小趋势一致,即尽管酸性水钠锰矿对As(Ⅲ)的氧化率低于水羟锰矿,单位比表面上酸性水钠锰矿氧化As(Ⅲ)初始反应速率却远高于水羟锰矿.反应过程分析表明,反应初始阶段,As(Ⅲ)的吸附为主要限速步骤;而随着反应的进行,矿物表面反应位点逐渐钝化或减少,反应位点数量成为限速步骤.     

棕壤对六价铬吸附行为研究

采用一次平衡法研究Cr(Ⅵ)在供试土壤中的吸附行为,应用Langmuir方程和Freundlich方程对等温吸附反应进行拟合,计算出供试土壤对Cr(Ⅵ)的最大吸附量,比较2种土壤对Cr(Ⅵ)的吸附能力;分别去除土壤有机质和游离氧化铁,对比去除前后土壤对Cr(Ⅵ)的吸附能力的变化。结果表明,潮棕壤对Cr(Ⅵ)的吸附能力高于棕壤;2种方程可以很好地拟合Cr(Ⅵ)在供试土壤中的吸附反应,Cr(Ⅵ)在棕壤和潮棕壤中的最大吸附量分别为204.08 mg/kg和232.5 mg/kg;土壤中的有机质降低棕壤对Cr(Ⅵ)的吸附能力;土壤中游离氧化铁对棕壤吸附Cr(Ⅵ)起重要作用。     

牛血清白蛋白对Ni2+与δ-MnO2间吸附平衡的影响

研究了溶液中牛血清白蛋白(BSA)的存在对Ni2 与δ-MnO2衡性质的影响.结果表明, BSA存在时Ni2 在δ-MnO2表面的吸附率'pH曲线仍为典型的"S"形, BSA使Ni2 的吸附突跃向高pH方向移动,影响程度与BSA的加入方式及浓度有关,其大小次序为Ⅳ(先加BSA后加Ni2 ),Ⅲ(N2 和BSA同时加)≈Ⅱ(先加Ni26 后加BSA).BSA存在时Ni2 的等温吸附线很好地遵循Langmuir等温吸附方程, Ni2 的饱和吸附量与BSA的加入方式有关,其大小次序为I(不加BSA)>Ⅱ.m,Ⅳ.升高温度促进Ni2 的吸附.在pH:4.0和pH:7.0条件下, Ni2 在δ-MnO2上的吸附均是不可逆的, BSA对Ni2 的吸附可逆性没有影响.     

白云石分离环境样品中的六价铬与三价铬

重金属Cr在环境中存在Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)两种氧化态,Cr(Ⅲ)的稳定性强,是人体必需的微量元素,而Cr(Ⅵ)具有强氧化性和高迁移性,是公认的致癌物质.总Cr含量不能完全反映其环境毒性效应,进行Cr(Ⅲ/Ⅵ)的形态分离对评价其环境行为具有重要意义.本研究以天然白云石粉末(80~100目)为吸附分离材料,研究在pH=4~10的水体中Cr(Ⅲ)与Cr(Ⅵ)的吸附,发现其对Cr(Ⅲ)的吸附率在99%以上,而对Cr(Ⅵ)的吸附不到10%,可用于Cr(Ⅲ/Ⅵ)的分离.Cr(Ⅲ)在白云石上的吸附符合Freundlich模型,最大吸附容量为0.3 mg·g~(-1).环境中主要共存物质如Mg~(2+)、Ca~(2+)和腐殖酸对白云石吸附Cr(Ⅲ)无明显的影响,而高浓度(0.05 mol·L~(-1))的CO_3~(2-)、醋酸和柠檬酸会降低白云石对Cr(Ⅲ)的吸附率.在环境水样(自来水、井水、河水、电镀废水和铬渣提取液)的Cr(Ⅲ/Ⅵ)分离实验中,Cr(Ⅲ)的回收率在80.7%~113.0%之间,Cr(Ⅵ)的回收率在103.4%~121.9%之间.结果表明,利用天然白云石分离Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)高效易行,该研究为现场的Cr形态分离提供了一种简便快捷的方法.     

不同状态MnO2对废水中As(III)的吸附研究

利用MnO2对含As(III)废水进行了吸附实验, 结果表明, MnO2对As(III)有着较强的吸附能力, 其饱和吸附量为44.06mg/g(δ-MnO2)和17.9mg/g(ε-MnO2), 阴离子的存在使MnO2吸附量有所下降, 一些阳离子(如Ga3+、In3+)可增加其吸附量, 吸附后的MnO2经解吸后可重复使用.     

锑(Ⅲ)在合成性δ态-MnO2表面的氧化机理

研究了锑(Ⅲ)在合成性δ态-二氧化锰表面之间发生的氧化反应动力学过程，当pH=5．4时，锑(Ⅲ)的吸附和氧化速率很快．氧化产物锑(Ⅴ)释放速度也很快，但还原产物Mn(Ⅱ)速度较慢．pH对氧化作用影响很大，低pH值和离子强度有利于反应的进行。     

Al(Ⅲ)对糖浆溶液中有机还原物质还原六价铬的影响

通过批实验研究了Al(Ⅲ)对糖浆溶液化学还原六价铬反应的影响,揭示了不同条件下Al(Ⅲ)对六价铬还原反应动力学的影响.结果表明:Al(Ⅲ)能够促进糖浆溶液还原六价铬反应进行;其作用机制是Al(Ⅲ)与糖浆溶液中有机还原物质及Cr(Ⅵ)反应形成三者的络合物,降低糖浆中多酚等有机还原物质还原Cr(Ⅵ)的反应活化能,提高六价铬还原反应速率.Al(Ⅲ)存在时,该六价铬还原反应符合准一级动力学反应;pH 2.0,2.5,3.0,3.5时,添加Al(Ⅲ)的实验组中六价铬反应速率常数比对应的空白对照组中反应速率常数分别增加了0.0251,0.0139,0.0058,0.0048h~(-1).添加Al(Ⅲ)前后反应体系中六价铬还原的反应活化能(Ea)分别为66.38,62.80kJ/mol.当糖浆浓度不足时,Al(Ⅲ)能够提高糖浆溶液还原六价铬的反应去除率.     

金属离子对δ-MnO2 去除对叔辛基酚抑制作用的研究

研究了pH 4.0的水溶液中各种金属离子对合成的δ-MnO2去除对叔辛基酚(4-t-OP)的影响.实验表明反应150 min时,δ-MnO2对4-t-OP的去除率达到100%,但当反应体系中含有金属离子时,去除效果受到抑制.抑制效果随金属离子浓度的增加而增大,并随金属离子的不同表现出较大的差异.在pH 4.0条件下,Pb2+和Mn2+的抑制效果最强,其次为过渡金属离子,再次是碱土金属离子,而碱金属离子基本上不产生抑制作用.还比较了δ-MnO2对多种金属离子的吸附能力,其对Pb2+的吸附作用最强,在其余的金属离子中,对过渡金属离子的吸附量稍大于碱土金属离子.结果表明,金属离子所产生抑制作用的源于其占据了δ-MnO2表面反应位点并与4-t-OP形成竞争,而抑制作用大小的差异主要来源于δ-MnO2与金属离子间吸附作用强弱的差别,MnO2表面结构的变化,以及溶液中自由态金属离子的分布比例及其离子半径的不同.     

苦杏仁酸、苹果酸、乳酸对Cr(VI)还原作用的比较

不同温度和pH条件下,通过批式试验研究了苦杏仁酸、苹果酸、乳酸还原Cr(Ⅵ)的反应速率.结果表明,这3种α-OH酸还原Cr(Ⅵ)的能力表现为:苦杏仁酸＞苹果酸＞乳酸.苦杏仁酸对Cr(Ⅵ)的还原作用受pH变化的影响较大,而乳酸受温度变化的影响较大.同时研究了Mn(Ⅱ)对3种α-OH酸还原Cr(Ⅵ)反应速率的影响.结果表明,Mn(Ⅱ)对3种α-OH酸还原Cr(Ⅵ)均有催化作用,其中对苦杏仁酸表现更为明显.     

苦杏仁酸、苹果酸、乳酸对Cr(Ⅵ)还原作用的比较

不同温度和pH条件下,通过批式试验研究了苦杏仁酸、苹果酸、乳酸还原Cr(Ⅵ)的反应速率.结果表明,这3种α-OH酸还原Cr(Ⅵ)的能力表现为:苦杏仁酸＞苹果酸＞乳酸.苦杏仁酸对Cr(Ⅵ)的还原作用受pH变化的影响较大,而乳酸受温度变化的影响较大.同时研究了Mn(Ⅱ)对3种α-OH酸还原Cr(Ⅵ)反应速率的影响.结果表明,Mn(Ⅱ)对3种α-OH酸还原Cr(Ⅵ)均有催化作用,其中对苦杏仁酸表现更为明显.