砷、镉在二氧化钛表面共吸附及其机理研究

论文摘要

随着工业的迅速发展,化工、电镀、冶炼、矿业等行业的生产过程中产生大量含有高浓度砷、镉等有毒物质的废水,导致砷、镉及其有毒化合物在环境中的浓度升高,引起水源地的水质恶化,对人类健康造成极大的危害。传统的重金属去除方法有现有的废水处理法主要有沉淀法、离子交换法、吸附法、膜分离等方法,与其他方法相比,吸附法由于其简单易行、处理量大、经济适用、耐环境冲击等优点得到广泛的应用。实验室自制二氧化钛（TiO2）吸附去除高砷酸性废水不仅实现出水达标,还可以达到零废渣排放。本文以实验室自制纳米TiO2为吸附剂,利用原子吸收光谱仪（AAS 800, PE）测量水样中砷（As（V））、镉（Cd）的浓度,分别研究了了单砷、单镉及砷镉混合溶液在TiO2上的吸附等温线、吸附动力学、砷对镉、镉对砷以及pH对吸附的影响;通过表面增强拉曼（SERS）、红外光谱（ATR-FTIR）、Zeta电位的表征及电荷分布多位络合模型（CD-MUSIC）模拟实验数据,得到As（V）与Cd在TiO2上吸附形态及其共吸附的机理。通过研究,获得以下成果。TiO2吸附剂吸附性能研究结果表明,在pH值为5、7时,水样中As（V）与Cd共存时,Cd去除效率由334.0 mg/g TiO2和661.9 mg/g TiO2分别增加到458.2 mg/g TiO2和848.7 mg/g TiO2,因此,As（V）与Cd共存时会促进Cd的去除。并且,As（V）的浓度越高,Cd的去除率也越高,且在pH=3-8范围内促进Cd去除的作用明显;同时Cd在pH值为3-10范围内均能促进As（V）的去除,在pH值为6.8时,Cd促进As（V）去除的效果最好,As（V）的去除率增加了44.7 %。当As/Cd及Cd/As的摩尔比为2时,其相互促进的去除率达到最大。As（V）、Cd及其共吸附时动力学研究表明,单As（V）及Cd在TiO2上的吸附符合拟二级动力学方程,而As（V）与Cd共吸附时其吸附时间明显增长,由符合拟二级动力学方程变为符合拟一级动力学方程。As（V）与Cd在TiO2上先后吸附顺序也会影响其共吸附时的去除率。通过SERS、ATR-FTIR、Zeta电位的表征及CD-MUSIC对实验数据的模拟,研究吸附机理,结果表明:低浓度的砷镉(As=10 mg·L-1,Cd=75 mg·L-1)在溶液中不会形成络合物,且As（V）及Cd均以双齿双核形式吸附在TiO2表面,Cd与As（V）在TiO2上互相促进吸附的机理为其在TiO2上形成表面络合物[Ti2O2AsO2Cd1/3];较高浓度的砷镉(As>150 mg·L-1,Cd=350 mg·L-1)在pH>5时会产生沉淀,其互相促进去除的机理主要是以Cd3（AsO4）2形式沉淀,而在pH<5时其相互促进去除的机理则是在TiO2上形成表面络合物[Ti2O2AsO2Cd1/3]。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 砷、镉重金属离子的污染概况
• 1.1.1 砷、镉重金属离子废水的来源
• 1.1.2 砷、镉重金属离子废水的特点和危害
• 1.2 砷、镉的环境化学过程
• 1.3 工业废水中砷、镉的去除方法研究现状
• 1.3.1 化学沉淀法
• 1.3.2 中和法
• 1.3.3 膜过滤法
• 1.3.4 离子交换法
• 1.3.5 吸附法
• 1.4 课题研究的目的与意义
• 1.5 课题研究内容及方案
• 1.5.1 课题研究内容
• 1.5.2 研究方案
• 1.6 吸附的基本理论
• 1.6.1 吸附类型
• 1.6.2 吸附等温线
• 1.6.3 吸附速度方程
• 1.7 电荷分布多位络合模型（CD-MUSIC）
• 2 的制备与性能表征'>2 纳米Ti0₂的制备与性能表征
• 2 的制备'>2.1 纳米Ti0₂的制备
• 2 的性能表征'>2.2 纳米Ti0₂的性能表征
• 2 的晶相与粒度'>2.2.1 纳米Ti0₂的晶相与粒度
• 2 的性能表征'>2.2.2 纳米Ti0₂的性能表征
• 2.3 本章小结
• 3 砷（As（V））、镉（Cd）在二氧化钛表面共吸附行为的研究
• 3.1 实验材料与方法
• 3.1.1 实验主要药品
• 3.1.2 实验主要仪器
• 3.1.3 实验方法
• 3.2 Cd 与As（V）+Cd 复合体系的吸附等温线研究
• 3.3 溶液pH 值对Cd 及As（V）、Cd 共吸附的影响
• 3.3.1 溶液pH 值对单镉吸附的影响
• 3.3.2 溶液pH 值对砷镉共吸附的影响
• 3.4 As（V）与Cd 在pH=7 条件下对其吸附的相互影响
• 3.5 吸附与沉淀作用对Cd 去除效果比较
• 2 上的吸附动力学研究'>3.6 单砷、单镉及砷镉共存时在pH=7 条件下在Ti0₂上的吸附动力学研究
• 2 上的吸附动力学研究'>3.6.1 单砷在Ti0₂上的吸附动力学研究
• 2 上的吸附动力学研究'>3.6.2 单镉在Ti0₂上的吸附动力学研究
• 3.6.3 砷镉共存时砷的吸附动力学研究
• 3.6.4 砷镉共存时镉的吸附动力学研究
• 3.7 As（V）与Cd 吸附顺序对其共吸附的影响
• 3.8 本章小结
• 2 表面共吸附机理的研究'>4 砷、镉在Ti0₂表面共吸附机理的研究
• 4.1 实验材料与方法
• 4.1.1 实验主要药品
• 4.1.2 实验主要仪器
• 4.1.3 实验方法
• 2 吸附砷、镉前后表面带电情况'>4.2 Zeta 电位表征Ti0₂吸附砷、镉前后表面带电情况
• 4.3 表面增强拉曼（SERS）研究低浓度砷镉在溶液中的存在形态
• 4.3.1 表面增强拉曼（SERS）简介
• 4.3.2 银镜基底的制备
• 4.3.3 SERS 检测低浓度As（V）与Cd 在溶液中的存在形态
• 2 上的吸附'>4.4 红外光谱研究单砷、单镉及砷镉在Ti0₂上的吸附
• 4.4.1 红外光谱简介
• 4.4.2 红外谱图的采集
• 2 上吸附的红外谱图'>4.4.3 As（V）在Ti0₂上吸附的红外谱图
• 2 上吸附的红外谱图'>4.4.4 Cd 在Ti0₂上吸附的红外谱图
• 2 上吸附的红外谱图'>4.4.5 As（V）与Cd 在Ti0₂上吸附的红外谱图
• 4.4.6 红外谱图分析
• 4.5 CD-MUSIC 模型模拟Cd 与As（V）共吸附行为
• 4.5.1 CD-MUSIC 模型的建立
• 4.5.2 CD-MUSIC 模型模拟As（V）与Cd 共吸附行为
• 4.6 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献