竹材遗态结构层状铁锰氢氧化物复合材料的制备及其吸附水中砷离子的机制研究

Arsenic predominantly exists in wastewater in inorganic forms of arsenite (As(III)) and arsenate (As(V)) from nonferrous metals mining and smelting industry. Both As(III) and As(V) are toxic and carcinogenic for people. adsorption is one of the prevailing methods for arsenic treatment. But the efficiency of adsorption depends on the adsorbent’s property. Our previous study showed that bioorganic plant materials can be characterized by a hierarchically built anatomy with microstructural features ranging from the millimeter to the micrometer-scale (cellulose fiber structures). The Layered-Double Hydroxides (LDHs) can avoid the sluice destroy in adsorption solution, get more active sites and larger specific surface area. This research aims to prepare an adsorbent composite named Fe/Mn-LDHs combined with Fe/Mn layered-double hydroxides and bamboo biotemplate from Guangxi province, illuminate the cooperation adsorption mechanism for the removal of As(III) and As(V) from wastewater though electrostatic attraction process, Ion exchange process, redox process and complexing reaction. Based on the operation requirement，Ascertain the effects mechanism between adsorption applicaiton process and absorption efficiency. This research will provide a nature, cheaper and high-efficiency adsorbent. which is of significance for practically removing arsenic ions from wastewater.

砷具毒性和致癌性，有色金属矿产冶炼过程产生的含砷废水污染环境，严重威胁人们的健康。吸附法被认为是除砷的主流技术之一，但吸附剂的性能直接影响其应用效果。前期研究表明，植物遗态材料具有完美独特的天然分级多孔结构，与层状双金属氢氧化物相结合可解决其水滑石结构抗破坏能力不够、易凝聚而引起比表面积利用率不高和吸附活性位点少等弊端。本项目拟选用广西盛产的竹材为植物模板，制备具有竹材分级多孔遗态结构的层状铁锰氢氧化物复合材料Fe/Mn-LDHs-B；以材料特性影响为重点，深入探讨Fe/Mn-LDHs-B对水中砷（Ⅲ）和砷（V）的物理吸引、离子交换、氧化还原和配位络合等吸附过程，构建机理模型；揭示吸附的“构-效”关系和“工-效”关系的本质，开展新材料的吸附应用关键工艺原理研究。研究结果将为除砷吸附技术提供一种源于天然、廉价和高效的吸附剂，为材料应用生产实践提供科学研究基础，对含砷废水综合治理有现实意义。

层状双金属氢氧化物因其结构特殊和功能优越而备受关注。本项目采用广西盛产的毛竹为植物模板，以铁和锰为合成元素，制备了结构稳定性良好的毛竹炭铁锰层状双金属氢氧化物复合材料（Fe/Mn-LDHs-B），并对其吸附水中砷(III)和砷(V)的机理进行研究。研究表明，冷冻干燥条件下，pH值为11~12时，才能得到铁锰层状结构。以CO32-和EDTA4-为层间阴离子合成的两种吸附剂对水中砷(III)和砷(V)均有良好的吸附效果，对As(III)的最佳吸附量分别达到66.76 mg/g和53.9 mg/g，对As(V)的最佳吸附量分别达到57.01 mg/g和44.24 mg/g。Fe/Mn-LDHs-B对砷(III)具有良好的吸附性能，其pH值适用范围广；在偏酸性溶液中对砷(V)的吸附效果更佳。Fe/Mn-LDHs-B吸附As(III)主要机制有静电斥力、表面配位、氧化还原、层间离子交换和孔隙填充；而吸附As(V)主要是通过静电作用、表面配位、层间离子交换和孔隙填充起到重要作用。密度泛函理论计算结果可知，与Fe/Mn–LDH相比，毛竹炭的介入可显著提高LDH材料结构的稳定性。对砷的吸附过程中，Fe/Mn-LDHs-B与砷之间存在氢键相互作用。在含铁/砷固溶体溶解研究发现，溶解态砷的浓度在初始pH=12时最低，为427.3~435.8 mg/L。在pH=2-12的水介质中，各组分按SO42-> AsO33- > Fe3+的顺序优先溶解。砷在砷铅铁矾溶解过程中释放的浓度始终低于砷铅铝矾溶解过程中的浓度，砷酸盐比铅更易溶解。砷铅铁矾比砷铅铝矾更有效地固定砷。Fe/Mn-LDHs-B对砷的吸附是传统的吸附剂对水中阴离子吸附过程与磷类似，但Fe/Mn-LDHs-B的离子交换过程是优秀吸附能力的特殊之处。与对水中铅的吸附机理有较大区别，对水中铅的吸附更多在于共沉淀作用，而非传统的化学吸附作用。