摘 要:近年來,高氯酸鹽的污染問題越來越受到人們的關(guān)注。本研究采用浸潤法制備復(fù)合材料活性炭負(fù)載亞鐵離子GAC-Fe(Ⅱ),考察在不同的反應(yīng)條件下復(fù)合材料GAC-Fe(Ⅱ)對高氯酸鹽的去除效果,包括pH、溫度、高氯酸根初始濃度和共存離子的影響。
關(guān)鍵詞:高氯酸鹽;活性炭;亞鐵離子;影響因素
高氯酸鹽是高氯酸形成的鹽類,各化學(xué)鍵能量分布比較均勻,含有四面體型的高氯酸根離子ClO4-。高氯酸鹽易溶于水中,不易分解,可以隨水體流動,是一種持久性的污染物質(zhì),在環(huán)境中的半衰期可長達(dá)十年[1-3]。因ClO4-離子的電荷和半徑與I-相似,它可以與I-競爭轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,從而抑制人體對I-的攝取吸收,導(dǎo)致甲狀腺激素分泌減少,虛弱甲狀腺功能[4,5]。
高氯酸鹽的污染包括人為污染和自然污染。人為污染主要包括火箭燃料、軍火工業(yè)、爆破作用、煙花燃放等領(lǐng)域[6]。自然污染是在自然田間下產(chǎn)生的高氯酸鹽,可通過地殼運(yùn)動、大氣沉積、氣溶膠等產(chǎn)生。
去除高氯酸鹽的方法很多,按處理原理,分為物理化學(xué)處理法和微生物處理法。其中物化法包括活性炭及改性活性炭吸附法、氧化還原法、離子交換法、膜分離法等方法;微生物法是指通過微生物的作用,在厭氧和酶催化條件下,使高氯酸根作為電子受體被還原降解為氯離子的方法[7-9]。
1 實驗材料的制備
1.1 實驗材料與儀器
活性炭(GAC),工業(yè)品;高氯酸鈉(NaClO4,質(zhì)量分?jǐn)?shù)>99%);七水合硫酸亞鐵(FeSO4·7H2O,質(zhì)量分?jǐn)?shù)>99%);氫氧化鈉(NaOH,質(zhì)量分?jǐn)?shù)>99%);濃鹽酸(HCl,質(zhì)量分?jǐn)?shù)>99%)等,所用藥品全部為分析純。
電子天平,pH計,離子色譜儀(ICS-1000),水浴鍋,恒溫振蕩器,電熱恒溫鼓風(fēng)烘箱,單聯(lián)立式萬用電爐。
1.2 復(fù)合材料的制備
用大燒杯取適量活性炭用去離子水沖洗干凈后超聲30min,放置電爐中加水煮沸,多次換水煮沸至水干凈無漂浮物,置于110℃烘箱中干燥至恒量備用。
分別稱取5g的GAC放入4、5、6號燒杯中,再稱取6g的Fe SO4·7H2O分別加入到3個燒杯中,放入110℃烘箱中浸潤24h,取出后用去離子水清洗4-5遍,置于烘箱中烘干后保存。
2 實驗部分
2.1 高氯酸根初始濃度的影響
隨著高氯酸根初始濃度的增加,GAC-Fe(Ⅱ)(6g)對高氯酸根的去除率不斷下降。其原因可能是復(fù)合材料對高氯酸根的吸附效果存在一個臨界值,當(dāng)?shù)竭_(dá)最大吸附容量時,對高氯酸根不再吸附,達(dá)到飽和狀態(tài),此時復(fù)合材料表面的吸附活性位點已完全占據(jù),由去除率公式計算可知,在初始濃度不斷增加時,R在不斷減小,去除率下降。由此可見,當(dāng)初始濃度過高時,不利于GAC-Fe(Ⅱ)對高氯酸根的去除。
2.2 pH值對高氯酸鹽去除的影響
當(dāng)溶液為酸性條件下,隨著pH值的升高,材料GAC-Fe(Ⅱ)(6g)對高氯酸根的去除率增加,在pH在6左右時達(dá)到最大。當(dāng)溶液為堿性時,隨著pH值的升高,復(fù)合材料對高氯酸根的去除率下降。原因可能是溶液隨著pH的變化,其中的H+含量隨著改變,H+可與高氯酸根和亞鐵離子反應(yīng),生產(chǎn)氯離子,當(dāng)pH值過低時,H+消耗復(fù)合材料上大量的亞鐵離子,使亞鐵離子的負(fù)載量下降,降低了復(fù)合材料的吸附性,反而使去除效果下降。而在堿性條件下,溶液中的OH-與亞鐵離子發(fā)生反應(yīng),生成沉淀或絡(luò)合物堆積在活性炭表面,降低活性炭的吸附能力,使其對ClO4-的去除效果下降。實驗結(jié)果表明,在酸性條件下更有利于GAC-Fe(Ⅱ)對高氯酸根的去除。
2.3 溫度對去除高氯酸鹽的影響
隨著溫度的升高,材料GAC-Fe(Ⅱ)(6g)對高氯酸根的吸附去除效果有所提高,與常溫25℃下的去除率相比,當(dāng)溫度提高到70℃時,去除率增加了7%左右,說明溫度對去除效果有著較大影響。原因是當(dāng)溫度提高時,分子間的運(yùn)動加劇,活化能升高,碰撞幾率增大,復(fù)合材料表面孔隙率增加,吸附性增強(qiáng),因而導(dǎo)致去除率升高。
2.4 共存離子對去除高氯酸鹽的影響
Cl-和CO32-對ClO4-的去除有抑制作用,而BrO3-對ClO4-的去除有促進(jìn)作用。Cl-對高氯酸鹽的去除效果影響不是很大,但是隨著濃度的增加,抑制作用有所增強(qiáng),所以水中少量的Cl-對高氯酸鹽的去除影響不是很大。BrO3-離子的存在增強(qiáng)了對高氯酸鹽的去除效果,可能因為BrO3-具有較強(qiáng)的氧化性,溴酸鹽和高氯酸鹽都是含氧酸鹽,具有很多化學(xué)共性,對去除高氯酸鹽有一定的催化作用。
3 結(jié)束語
通過浸潤法制得的復(fù)合材料活性炭負(fù)載亞鐵離子GAC-Fe(Ⅱ)可以有效地去除水中的高氯酸鹽,并研究不同條件下的去除效果,得出以下結(jié)論:
(1)溶液在酸性條件下,隨著pH的增加,去除率增加;在堿性條件下,隨pH的增加,去除率降低。
(2)溫度對去除效果也存在著影響,但不是很明顯。去除效果隨著溫度的提高有小幅提升。
(3)高氯酸鹽的初始濃度對去除率有著明顯影響,隨著初始濃度的增加,去除率不斷降低,去除效果減弱,但吸附容量卻持續(xù)增加。
(4)低濃度的Cl-的存在對高氯酸鹽的去除影響不大,但會隨著Cl-濃度的增加對去除高氯酸鹽有著抑制作用。CO32-離子的存在大大降低了高氯酸鹽的去除效果,而BrO3-離子的存在卻對高氯酸鹽的去除有促進(jìn)作用。
參考文獻(xiàn)
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作者簡介:石偉(1990-),男,漢族,湖北黃岡人,碩士研究生,研究方向:市政工程。