劉楊秋凡 趙志西

摘 ????要：吸附-脫附作用是影響和控制砷遷移釋放過程的主要機(jī)制之一，然而對(duì)砷在金屬氧化物膠體上的吸附還缺乏系統(tǒng)研究。膜滲透方法可以準(zhǔn)確地反映砷在納米級(jí)膠體顆粒上的吸附-脫附過程。首先，通過溶膠-凝膠法合成Fe（OH）₃、Al（OH）₃和Mn（OH）₂膠體直徑分別為112、681和402 nm，Zeta電位分別為+41、+9.5和+1.4 mV。砷在Fe（OH）₃、Al（OH）₃和Mn（OH）₂膠體上的吸附均符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，砷吸附速率分別為1.06、1.38、3.17 g /（mg·h），這說明吸附速率與膠體粒徑和表面電荷有關(guān)，粒徑較小導(dǎo)致膠體表面電荷較大，使得砷在膠體上吸附速率常數(shù)較小。砷在鐵、鋁、錳水合氧化物膠體上的吸附等溫線符合Freundlich方程，F(xiàn)e（OH）₃膠體對(duì)砷的吸附能常數(shù)n為1.43（>1），屬于強(qiáng)吸附，而Al（OH）₃和Mn（OH）₂膠體對(duì)砷的吸附能常數(shù)n分別為0.22和0.40（<1），屬于弱吸附。

關(guān) ?鍵 ?詞：膜滲透;水合氧化物膠體;砷;吸附

中圖分類號(hào)：TQ424.2???????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2020）01-0001-05

Adsorption Characteristics of Arsenic on Oxygen Hydrate

Colloids in Membrane Permeation System

LIU YANG-qiu-fan，ZHAO Zhi-xi

（College of Chemistry and Chemical Engineering， Xinjiang Normal University， Xinjiang Urumq830054， China）

Abstract： Adsorption-desorption is one of the main mechanisms affecting and controlling the release process of arsenic. However， there is still no systematic study on the adsorption of arsenic on metal oxide colloids. The membrane permeation method can accurately reflect the adsorption-desorption process of arsenic on nano-sized colloidal particles. Firstly， Fe（OH）₃， Al（OH）₃and Mn（OH）₂colloids?with the diameters of?112， 681 and 402 nm， and the zeta potentials?of?+41， +9.5 and +1.4 mV were synthesized by sol-gel method， respectively. The adsorption of arsenic on colloids of Fe（OH）₃， Al（OH）₃and Mn（OH）₂conforms to quasi-second-order kinetic equation， and the adsorption rate of arsenic is 1.06， 1.38 and 3.17 g/（mg·h）， respectively. This indicates that the adsorption rate is related to the particle size and surface charge of the colloids. The smaller particle size leads to the larger surface charge of the colloids， and the smaller adsorption rate constant of arsenic on the colloids. The adsorption isotherm of arsenic on colloids of iron， aluminum and manganese hydrated oxide conforms to the Freundlich equation. The adsorption constantnof Fe（OH）₃colloids on arsenic is 1.43（>1）， which is a strong adsorption， while the adsorption constantsnof Al（OH）₃and Mn（OH）₂colloids on arsenic are?0.22 and 0.40（<1） respectively， which is a weak adsorption.

Key words：?Membrane permeation;?Hydrated oxide colloid;?Arsenic;?Adsorption

飲用水中砷污染對(duì)人體健康造成嚴(yán)重威脅^[1-3]。在地下水環(huán)境中，含砷礦物通過吸附-脫附、氧化-還原、溶解-沉淀等過程，向周圍水體釋放和遷移砷而形成高砷地下水^[4，5]。在地下含水層環(huán)境中，含砷礦物主要包括鐵、鋁、錳礦物。近年對(duì)砷在鐵、鋁、錳礦物的吸附特征進(jìn)行了深入的研究^[6-9]。然而，鐵、鋁、錳礦物容易形成膠體，對(duì)鐵、鋁、錳礦物膠體上砷的吸附規(guī)律研究還較為缺乏。

馬玉玲^[10]等用水鐵礦膠體進(jìn)行砷吸附實(shí)驗(yàn)。水鐵礦膠體粒徑為100～150 nm，對(duì)砷的吸附符合Freundlich等溫吸附模型，為多層吸附且易于進(jìn)行。水鐵礦膠體對(duì)As（III）和As（V）的吸附量分別為194.8和107.3 g/kg。水鐵礦膠體對(duì)砷的吸附符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，砷吸附過程包括液膜擴(kuò)散、內(nèi)部擴(kuò)散和物理化學(xué)吸附。梁美娜^[11]等人研究了As（V）在氫氧化鋁膠體上吸附的影響因素。氫氧化鋁膠體粒徑為0.1～1 μm。當(dāng)pH在4～7.7時(shí)，砷在氫氧化鋁膠體上的吸附效果較好，吸附等溫線符合Freundlich等溫吸附模型，且n值大于1屬于強(qiáng)吸附。謝莉^[12]等用不同晶型納米二氧化錳膠體進(jìn)行砷吸附實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，二氧化錳膠體粒徑為1～100 nm，能有效地將含砷量為1 mg/L的水降至我國飲水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)以下，吸附過程受溫度、砷初始濃度和時(shí)間的影響，對(duì)As（III）和As（V）最大吸附容量分別為103.09、106.38 mg/g。

但是，在上述處理納米膠體樣品時(shí)使用膜過濾完成固液分離，膠體容易透過濾膜，難以反映納米直徑膠體對(duì)砷的吸附特征。本文利用膜滲透原理進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，先合成鐵、鋁、錳水合氧化物膠體，然后使膠體保留在透析袋內(nèi)，在透析袋外加砷，進(jìn)行砷吸附動(dòng)力學(xué)和吸附等溫線實(shí)驗(yàn)，研究鐵、鋁、錳水合氧化物膠體上砷的吸附特征，為高砷地下水治理提供理論依據(jù)。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1 ?實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用試劑及耗材：FeCl₃·6H₂O（無錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司）、MnSO₄·H₂O（武漢萬榮科技發(fā)展有限公司）、Al₂（SO₄）₃·18H₂O（山東浩中化工科技有限公司）、NH₃·H₂O（湖北銀河化工有限公司）、NaOH（天津市紅巖化學(xué)試劑廠）、砷標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 mg·L^-1）（國家有色金屬及電子材料測(cè)試中心）、MD44型透析袋（截留分子量MW： 8 000～14 000，思達(dá)德民力閥門有限公司）。所有試劑均為分析純。

主要儀器：PHS-25型酸度計(jì)（上海雷磁儀器廠）、AFS-933原子熒光光度計(jì)（北京吉天儀器有限公司）、Nano-ZS90型馬爾文激光粒度儀（馬爾文儀器有限公司）、ICAP6300型ICP全譜直讀等離子發(fā)射光譜儀（美國熱電公司）。

1.2 ?膠體制備

透析袋預(yù)處理：取適量透析袋放在沸水中煮十分鐘，之后將透析袋撈出，再用蒸餾水洗凈。

合成水合氧化鐵、水合氧化鋁、水合氧化錳膠體：稱取適量FeCl₃·6H₂O，Al₂（SO₄）₃·18H₂O和MnSO₄·H₂O，加入純水后完全溶解，轉(zhuǎn)移至80 ℃恒溫水浴鍋，在加熱和快速攪拌條件下，逐滴加入濃氨水，當(dāng)溶液pH接近中性時(shí)，取出靜置降溫0.5 h，將上清液取出，加到預(yù)處理后的透析袋中，將透析袋密封，浸泡在純水中凈化24 h，期間換3次純水，得到膠體樣品，用ICP光譜儀測(cè)定膠體樣品鐵、鋁、錳元素濃度分別為75.84、11.83、16.64 g/L。

1. 3 ?膠體粒徑及表面電荷表征

分別取適量鐵、鋁、錳水合氧化物膠體，稀釋后使用馬爾文激光粒度儀測(cè)定粒徑及Zeta電位。

1.4 ?吸附實(shí)驗(yàn)

吸附裝置如圖1所示：向離心管內(nèi)加入適量砷，用純水定容至10 mL，分別取適量水合氧化鐵、水合氧化鋁和水合氧化錳膠體，分別加到預(yù)處理后的透析袋中，再加入純水至10 mL，將透析袋密封，放入離心管中開始吸附。由于鐵、鋁、錳水合氧化物對(duì)砷吸附能力差別較大，為了便于比較三者砷吸附能力，因此在50～900范圍內(nèi)選擇不同的初始Fe/As、Al/As、Mn/As摩爾比進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)時(shí)，始終保持強(qiáng)烈攪拌，并使溫度控制在20 ℃。在吸附0、0.5、1、2、4、12、20 h時(shí)，從離心管內(nèi)移取0.5 mL樣品，密封冷藏待測(cè)。

1.5 ?砷濃度測(cè)定

利用氫化物發(fā)生-原子熒光法測(cè)定砷濃度。砷檢出限為0.01 μg/L，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為5%。砷工作曲線線性系數(shù)R=0.999?7。

1.6 ?吸附動(dòng)力學(xué)方程和吸附平衡方程擬合

吸附準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程^[13]為：

（1）

式中：Q_e— 吸附平衡時(shí)刻砷在膠體上的吸附量，mg/g;

Q_t — 吸附t時(shí)刻砷在膠體上的吸附量，mg/g;

k₁— 準(zhǔn)一級(jí)吸附速率常數(shù)，h^-1。

準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程^[14]為：

（2）

式中：Q_e— 吸附平衡時(shí)刻砷在膠體上的吸附量，mg/g;

Q_t— 吸附t時(shí)刻砷在膠體上的吸附量，mg/g;

k₂— 準(zhǔn)一級(jí)吸附速率常數(shù)，mg/（g·h）。

Langmuir 吸附等溫線方程^[15-17]為：

（3）

式（3）中：Q_e— 吸附介質(zhì)的吸附平衡濃度，mg/g;

Q_m— 吸附介質(zhì)的單層最大吸附量，mg/g;

C_e— 溶液中剩余的砷，mg/L;

K_L—Langmuir吸附常數(shù)，L/mg。

Freundlich 吸附等溫方程^[18]為：

（4）

式（4）中：Q_e— 吸附介質(zhì)的吸附平衡濃度，mg/g;

C_e— 溶液中剩余的砷濃度，mg/L;

K_F— Freundlich吸附常數(shù)，mg^（1-n）Lⁿ/g;

n — 吸附強(qiáng)度。

2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 鐵、鋁、錳水合氧化物膠體粒徑和表面電荷表征

通過溶膠-凝膠法，在中性環(huán)境下，制得水合氧化鐵、水合氧化鋁、水合氧化錳膠體并對(duì)其稀釋后，使用馬爾文激光粒度儀測(cè)定粒徑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為圖2。從圖2可以看到，水合氧化鐵膠體粒徑分布區(qū)間在50～180 nm之間，平均粒徑為101 nm;水合氧化鋁膠體粒徑分布區(qū)間在310～1 100 nm處，平均粒徑為681 nm;水合氧化錳膠體粒徑分布區(qū)間在110～500 nm處，平均粒徑為402 nm。因此，制得的鐵、鋁、錳水合氧化物符合膠體理論范圍。

使用馬爾文激光粒度儀測(cè)定鐵、鋁、錳水合氧化物膠體Zeta電位，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為圖3。從圖3可以看到，pH為中性時(shí)，水合氧化鐵膠體的Zeta電位平均為+41 mV，其絕對(duì)值較大，表明膠體穩(wěn)定性較好，而且水合氧化鐵表面帶正電荷，更易吸附陰離子。水合氧化鋁膠體Zeta電位平均為+9.5 mV，錳水合氧化物膠體的Zeta電位平均為+1.4 mV，這兩種膠體穩(wěn)定性較差，但是其表面均帶正電荷，易吸附陰離子。這與程紅英^[19]錢薇^[20]劉菲菲^[21]等研究結(jié)果一致。因此，可以看出水合氧化鐵膠體穩(wěn)定性較好，表面帶正電較多，而水合氧化錳膠體穩(wěn)定性較差，表面帶正電較少。

2.2 ?砷吸附動(dòng)力學(xué)及其擬合結(jié)果

利用制得的水合氧化鐵、水合氧化鋁、水合氧化錳膠體對(duì)砷進(jìn)行吸附。首先考察砷在三種水合氧化物體系中的殘留濃度隨時(shí)間的變化曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為圖4。從圖4可以看到，在膜滲透體系中，pH為中性，砷初始濃度為5 mg/L，當(dāng)透析袋內(nèi)只有純水沒有加水合氧化物時(shí)，在2 h內(nèi)，砷從5 mg/L逐漸減小到3.3 mg/L維持穩(wěn)定。

加入水合氧化鐵后，鐵砷比為50時(shí)，在4 h內(nèi)，砷從5 mg/L逐漸減小到0.5 mg/L維持穩(wěn)定，鐵砷比為100時(shí)，在4 h內(nèi)，砷從5 mg/L逐漸減小到0.16 mg/L維持穩(wěn)定。加入水合氧化鋁后，在鋁砷比為100和300時(shí)，砷平衡濃度分別為1.9和1.3 mg/L。加入水合氧化錳后，在錳砷比為100和300時(shí)，砷平衡濃度分別為2.7和1.7 mg/L。

準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)適用于吸附過程中擴(kuò)散控制反應(yīng)，側(cè)重內(nèi)擴(kuò)散控制類型。準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)適用于液體/固體界面的吸附反應(yīng)^[22]。分別使用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)^[23]方程擬合砷在水合氧化鐵、鋁、錳膠體上的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，方程擬合參數(shù)列于表1。從表1可以看到，準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合R值區(qū)間為0.858 0～0.947 5，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合R值區(qū)間為0.995 6～0.999 0。在三種水合氧化物體系中，保持砷初始濃度不變，當(dāng)膠體量較小時(shí)（Fe/As=50、Al/As=100、Mn/As=100），砷吸附速率常數(shù)分別為0.18、0.71和0.77 g/（mg·h），當(dāng)膠體量較高時(shí)（Fe/As=300、Al/As=500、Mn/As=500），砷吸附速率常數(shù)分別為1.08、1.38和3.17 g/（mg·h）。這表明，膠體量會(huì)影響砷的吸附速率，而且在錳膠體上砷吸附速率較大，在鋁膠體上砷吸附速率次之，在鐵膠體上砷吸附速率較小。

準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程假定吸附速率由吸附劑表面未被占據(jù)的吸附空位數(shù)目的平方值決定，其描述的吸附過程受化學(xué)吸附機(jī)理的控制^[24]。這說明砷在水合氧化鐵、鋁、錳膠體上的吸附都屬于化學(xué)吸附機(jī)理控制。而且，在水合氧化錳表面未被占據(jù)的吸附空位數(shù)目較多，導(dǎo)致砷吸附速率較大，在水合氧化鐵表面未被占據(jù)的吸附空位數(shù)目較少，導(dǎo)致砷吸附速率較小^[25]。

2.3 ?砷吸附等溫線及其擬合結(jié)果

砷在3種水合氧化物膠體上的吸附等溫線結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看到，在水合氧化鐵膠體上，當(dāng)砷殘留濃度從0.2 mg/L逐漸增加到0.5 mg/L時(shí)，砷吸附量從0.8 mg/g逐漸增加到10.1 mg/g。在水合氧化鋁膠體上，當(dāng)砷殘留濃度從0.8 mg/L逐漸增加到1.9 mg/L時(shí)，砷吸附量從0.7 mg/g逐漸增加到3.5 mg/g。在水合氧化錳膠體上，當(dāng)砷殘留濃度從1.5 mg/L逐漸增加到2.7 mg/L時(shí)，砷吸附量從0.4 mg/g逐漸增加到1.2 mg/g。這表明，當(dāng)砷殘留濃度較小時(shí)，水合氧化鐵膠體吸附砷能力較強(qiáng)，水合氧化錳膠體吸附砷能力較弱;當(dāng)砷殘留濃度較大時(shí)，水合氧化鐵膠體吸附砷能力較強(qiáng)，水合氧化錳膠體吸附砷能力較弱。

分別使用Langmuir和Freundlich方程擬合砷在水合氧化鐵、鋁、錳膠體上的吸附等溫線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，方程擬合參數(shù)列于表2。

從表2可以看到，砷在水合氧化鐵、鋁、錳膠體上吸附等溫線應(yīng)用Langmuir方程擬合時(shí)，R值分別為0.963?6，0.569?8，0.713?0。砷在水合氧化鐵、鋁、錳膠體上吸附等溫線應(yīng)用Freundlich方程擬合時(shí)，R值分別為0.996?6，0.997?7，0.997?6。這表明砷在水合氧化鐵、鋁、錳膠體上吸附更符合Freundlich等溫吸附模型，這說明三種膠體表面均一性不高，但是砷的吸附量較大，因此砷的吸附可能為多層吸附^[26]。而且，F(xiàn)e（OH）₃膠體對(duì)砷的吸附屬于強(qiáng)吸附（n=1.43>1），而在Al（OH）₃和Mn（OH）₂膠體上，n值分別為0.22和0.40，均小于1，砷的吸附屬于弱吸附。

3 ?結(jié)論

（1）鐵、鋁、錳水合氧化物膠體粒徑分別為112、681和402 nm，zeta電位分別為+41、+9.5和+1.4 mV。其中，水合氧化鐵穩(wěn)定性較好，表面帶正電較多，水合氧化鋁和水合氧化錳次之，三種水合氧化物均帶正電。

（2）膜滲透體系吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，砷在Fe（OH）₃、Al（OH）₃和Mn（OH）₂膠體上的吸附均符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，且增大膠體量后，膠體對(duì)砷的吸附速率明顯增大。當(dāng)膠體量較大時(shí)，錳膠體體系砷吸附速率（3.17 g /（mg·h））>鋁膠體體系砷吸附速率（1.38 g /（mg·h））>鐵膠體體系砷吸附速率（1.06 g /（mg·h））說明吸附速率與膠體粒徑和表面電荷有關(guān)，粒徑較小，表面帶正電荷較多，則砷吸附速率常數(shù)較小。

（3）Fe（OH）₃、Al（OH）₃和Mn（OH）₂膠體對(duì)砷的吸附符合Freundlich等溫吸附模型，屬于多層吸附。

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