納米四氧化三鐵對(duì)Cr（VI）溶液吸附效率的研究

李專 安平平 楊雪 王媛

摘 要：納米四氧化三鐵由于其具備了比表面積大、反應(yīng)活性高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有磁性特征，再加上其再生簡(jiǎn)便、成本低和高效等優(yōu)點(diǎn)，使得納米四氧化三鐵這種優(yōu)異吸附劑受到了越來越多的關(guān)注。該研究采用共沉淀方法制備納米四氧化三鐵，考察不同pH、時(shí)間、初始濃度對(duì)納米四氧化三鐵去除Cr（VI）離子的影響。結(jié)果表明：pH為7.0，溫度為25 ℃時(shí)，吸附12 h后，Cr（VI）的去除率可達(dá)99.4%，并通過吸附曲線計(jì)算出納米四氧化三鐵對(duì)Cr（VI）離子的飽和吸附濃度為13.4 mg/g。研究表明：納米四氧化三鐵對(duì)Cr（VI）具有非常好的吸附效果，可廣泛用于實(shí)際工程中的廢水處理。

關(guān)鍵詞：納米四氧化三鐵 Cr（VI） 去除率 飽和吸附

中圖分類號(hào)：TQ1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（b）-0031-02

金屬鉻廣泛應(yīng)用于電鍍、紡織、印染、造紙、醫(yī)藥、冶煉、電解等行業(yè)，這些行業(yè)均產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水，由于不合理排放，經(jīng)常導(dǎo)致嚴(yán)重的水質(zhì)污染問題。鉻在自然界中主要以Cr（VI）和Cr（III）兩種形態(tài)存在[1]，相對(duì)來說，Cr（VI）毒性較強(qiáng)，是Cr（III）的100倍，有致癌、致畸和致突變作用。如何治理Cr（VI）污染問題已經(jīng)引起政府及環(huán)境工作者的關(guān)注和重視。傳統(tǒng)修復(fù)Cr（VI）污染的傳統(tǒng)方法主要有：吸附法、化學(xué)沉淀法、生物修復(fù)法等[2-4]，但它們存在操作繁瑣、成本高、效率低和二次污染等問題[5]。而其中，吸附方法由于其高效性和低選擇性、且操作簡(jiǎn)單，一直沿用至今。常用的吸附劑有活性炭、粘土礦物質(zhì)、天然和人造高分子材料、生物質(zhì)等等[6]。但是再生成本高、效率低、操作困難等缺點(diǎn)制約了它們?cè)趯?shí)際工程中的應(yīng)用。

近年來，納米四氧化三鐵作為一種新型吸附劑受到了越來越多的關(guān)注。它不但具備了納米材料比表面積大、反應(yīng)活性高等優(yōu)點(diǎn)還結(jié)合了四氧化三鐵的磁性特征，這使得重金屬的回收利用得以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)，杜絕了二次污染等問題。再加上其再生簡(jiǎn)便、成本低和高效等優(yōu)點(diǎn)，使得關(guān)于納米四氧化三鐵這種優(yōu)異吸附劑的研究更加引人注目。該研究采用共沉淀方法制備納米四氧化三鐵，考察其對(duì)Cr（VI）溶液的處理效率。

1 材料與方法

藥品：FeCl3·6H2O（天津科密歐），F(xiàn)eCl2·4H2O（北京化工廠），濃氨水（北京化工廠），Cr（VI）標(biāo)準(zhǔn)溶液（國(guó)家標(biāo)物中心）儀器：磁力攪拌器AM-3250B（AUTO SCIENCE），pH計(jì)（HACH），可見分光光度計(jì)723C，恒溫?fù)u床（上海一恒）。

1.1 納米四氧化三鐵的制備

用化學(xué)共沉淀法制備Fe3O4納米粒子[7-9]。將1.0 gFeCl2·4H2O和2.6 g FeCl3·6H2O用100 mL去離子水溶于250 mL三頸圓底燒瓶中，通氮?dú)獗Ｗo(hù)，加熱至80 ℃后快速攪拌，同時(shí)緩慢滴加28 mL氨水，反應(yīng)30 min后用永久磁鐵吸附生成的Fe3O4顆粒，棄去上清液，殘余物用去離子水和甲醇洗滌數(shù)次得黑色沉淀物Fe3O4顆粒。

1.2 pH、時(shí)間、初始濃度對(duì)Cr（VI）的吸附率的影響

選取不同的pH（2、3、4、5、6、7），時(shí)間（0.5 h、1 h、2 h、4 h、8 h、12 h和24h），初始濃度（40 mg/L、50 mg/L、60 mg/L、70 mg/L、80 mg/L、90 mg/L 和100 mg/L）），考察各不同條件下，納米四氧化三鐵對(duì)Cr（VI）溶液去除率的影響。

1.3 吸附曲線實(shí)驗(yàn)

吸附實(shí)驗(yàn)均在溫度為（25±1）°C條件下進(jìn)行，將0.4 mg吸附劑分別加入到10 mL Cr（VI）溶液中（濃度分別為40 mg/L、50 mg/L、60 mg/L、70 mg/L、80 mg/L、90 mg/L和100 mg/L），用0.1 M的HCl和NaOH溶液調(diào)整pH值。在搖床上震蕩吸附（200 rmp），吸附達(dá)到平衡后，在外加磁場(chǎng)的作用下分離吸附劑。

2 結(jié)果和討論

2.1 pH、時(shí)間、初始濃度對(duì)Cr（VI）的吸附率的影響

初始濃度為40 mg/L、溫度為25 ℃、投加量為4 g/L時(shí)，考察了不同pH下納米四氧化三鐵對(duì)Cr（Ⅵ）溶液的吸附效率，由圖1可見，pH對(duì)Cr（Ⅵ）離子的吸附效率有著很大的影響。當(dāng)溶液pH從2.0增加到7.0時(shí)，Cr（Ⅵ）的去除率從33%增加到99%。這可能是因?yàn)殡S著pH的不斷增大，吸附劑處于去質(zhì)子化形式，納米四氧化三鐵表面的負(fù)電荷增加，與帶正電荷的Cr（Ⅵ）離子之間反應(yīng)，從而提高了去除率。

初始濃度為40 mg/L、溫度為25 ℃、投加量為4 g/L時(shí)，考察了不同時(shí)間下納米四氧化三鐵對(duì)Cr（Ⅵ）溶液的吸附效率，由圖2可見，當(dāng)時(shí)間從0.5 h增加到12 h，Cr（Ⅵ）溶液的去除率從46.3%增至99.4%，從12 h到24 h，幾乎沒有什么變化，所以12 h為納米四氧化三鐵吸附Cr（Ⅵ）溶液的最佳時(shí)間。

pH為7.0、溫度為25 ℃、投加量為4 g/L時(shí)，考察了不同初始濃度對(duì)納米四氧化三鐵對(duì)Cr（Ⅵ）溶液的吸附效率，由圖3可見，當(dāng)初始濃度由40 mg/L升到100 mg/L，Cr（Ⅵ）溶液的去除率是在降低的，特別是，當(dāng)初始濃度超過60 mg/L時(shí)，Cr（Ⅵ）溶液的去除率陡然降低，主要是因?yàn)樗^了納米四氧化三鐵的飽和吸附濃度。

綜上所述，Cr（Ⅵ）溶液的初始濃度為40 mg/L、溫度為25 ℃、pH=7.0，12 h的條件下，納米四氧化三鐵對(duì)Cr（Ⅵ）溶液的去除效果最好，Cr（Ⅵ）的去除率達(dá)到99. 4%。

2.2 納米四氧化三鐵對(duì)Cr（Ⅵ）溶液的飽和吸附濃度

根據(jù)Langmuir吸附等溫線 ，Qe為平衡時(shí)的吸附量（mg/g）；Qm為最大吸附容量（mg/g）；Ce為平衡時(shí)的溶液濃度（mg/L）；K為L(zhǎng)angmuir平衡參數(shù)。通過吸附等溫曲線可計(jì)算出，納米四氧化三鐵對(duì)Cr（Ⅵ）溶液的最大吸附濃度為13.4 mg/g。

3 結(jié)語

當(dāng)pH為7.0，溫度為25 ℃時(shí)，吸附12 h后，Cr（VI）的去除率可達(dá)99.4%，并通過吸附曲線計(jì)算出納米四氧化三鐵對(duì)Cr（VI）的飽和吸附濃度為13.4 mg/g。研究表明，納米四氧化三鐵對(duì)Cr（VI）具有非常好的吸附效果，可廣泛用于實(shí)際工程中的廢水處理。

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