水铁矿及其与腐植酸共沉物对水溶液中镉的吸附作用研究

摘要

水体重金属污染问题日趋严重，其中，镉因其具有毒性强且易累积的特性，对自然环境和人体健康的潜在威胁很大。对于水体镉污染的治理，主要有物理法、生物法以及化学法，其中化学吸附法技术较为成熟，由于不同种类的吸附剂对镉的吸附效果不尽相同，因此选择合适的吸附材料是治理镉污染的关键。水铁矿和腐植酸广泛存在于自然环境中，通过不同的机制，均对重金属有强烈的吸附作用。同时，有研究表明两者形成的共沉物在水环境中对重金属的吸附效果较之单体系更好。目前关于水铁矿与腐植酸的交互作用及其形成的共沉物对镉的吸附研究较少，水铁矿-腐植酸共沉物与镉的反应机制还需进一步研究。 本文选取人工制备的水铁矿与煤炭腐植酸及其共沉物为研究对象，采用等温吸附-解吸动力学与热力学的方法，研究比较水铁矿及其腐植酸共沉物对镉的吸附-解吸特征，探索了镉初始浓度、离子强度、pH值、吸附时间等因素对镉吸附的影响。并通过分析傅里叶红外光谱、X射线衍射、扫描电镜及比表面积特征探讨了水铁矿-腐植酸共沉物对镉的吸附机理。主要结论如下： (1)水铁矿与腐植酸相互作用后并没有改变水铁矿的晶型结构，但腐植酸的加入降低了共沉物的比表面积和孔径大小，并对吸附解吸产生一定影响。 (2)水铁矿-腐植酸共沉物吸附镉的动力学过程以快反应为主，吸附过程符合准二级动力学模型；Langmuir方程可用于描述镉在共沉物上的热力学吸附行为，吸附过程属于有利吸附且存在化学吸附，整个吸附过程受多种动力学机制共同作用。 (3)吸附剂投加量的增加会使吸附率上升，同时导致吸附位点利用率降低。碱性条件更有利于共沉物对镉的吸附，随着pH的增加，吸附量逐渐升高；离子强度对共沉物吸附镉的影响不显著，吸附量随离子强度的增加先降后升，说明共沉物对镉的吸附既存在物理吸附又包含专性吸附，能通过与镉结合形成内层配合物。 (4)共沉物对镉的吸附与解吸动力学具有共性，但解吸的镉含量明显低于其吸附量，说明共沉物对镉的吸附是比较牢固的。

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Abstract

第一章 绪论

1.1 水体中的镉污染

1.1.1 水体镉污染现状

1.1.2 水体镉污染来源及危害

1.1.3 水体镉污染处理技术

1.2 吸附剂铁氧化物

1.2.1 铁氧化物概况

1.2.2 水铁矿概况

1.2.3 水铁矿对重金属的吸附作用

1.3 吸附剂腐植酸

1.3.1 腐植酸概况

1.3.2 腐植酸对重金属的吸附作用

1.3.3 腐植酸与铁氧化物交互作用

1.4 研究意义、目标、内容及技术路线

1.4.1 研究意义

1.4.2 研究目标

1.4.3 研究内容

1.4.4 技术路线

第二章 材料与方法

2.1 实验试剂与仪器

2.1.1 实验试剂

2.1.2 实验仪器

2.2 水铁矿的制备

2.3 不同碳铁比共沉物的制备

2.4 供试含镉废水

2.5 实验方法

2.6 数据处理

第三章 水铁矿及共沉物的表面性质特征

3.1 腐植酸红外光谱鉴定

3.2 X射线衍射分析

3.4 比表面积和孔径分析

3.5 小结

第四章 水铁矿及共沉物对镉的吸附作用研究

4.1 水铁矿对镉的吸附作用

4.2 不同碳铁比的共沉物对镉的吸附

4.3 共沉物对镉的等温吸附动力学特征

4.4 共沉物对镉的等温解吸动力学特征

4.5 共沉物对镉的等温吸附热力学特征

第五章 共沉物吸附镉的影响因素研究

5.1 吸附剂添加量对吸附效果的影响

5.2 pH对吸附效果的影响

5.3 镉初始浓度对吸附的影响

5.4 吸附时间对吸附的影响

5.5 离子强度对吸附效果的影响

5.6 小结

第六章 讨论

6.1 水铁矿对镉的等温吸附特征

6.2 共沉物对镉的等温吸附解吸特征

6.3 共沉物对水体中镉吸附效果的影响因素

第七章 结论与展望

7.1 研究结论

7.2 研究展望

参考文献

在学期间的研究成果

致 谢