磁性氧化物基稀土纳米复合材料的制备及其高效去除水中砷的研究

In this study, rare-earth nanocomposites based on magnetic oxide are prepared by different synthetic methods and several nanocomposites with strong magnetism and high adsorption capacity of arsenic are observed. The effects of initial pH, temperature, initial concentration of arsenic, adsorbent dosage and accompanying anions on the adsorption of arsenic are investigated to obtain the optimal conditions of arsenic adsorption. The adsorption capacity and adsorption rate constant are determined through fitting the adsorption model of kinetics and thermodynamics. The magnetism, elemental composition and isoelectric point of the composites are determined and the composites before and after the absorption of arsenic are characterized by scanning electron microscope (SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and infrared spectroscopy (IR). The concentrations of various elements and the pH changes in the solution during the adsorption process are determined in order to reveal the mechanism of arsenic removal and the main internal factors of high adsorption capacity of arsenic. The effect of adsorbent regeneration times on the adsorption of arsenic, the optimal conditions of adsorbent regeneration and the separation conditions of suspension are determined. The aim of the proposal is to provide new ideas for applying rare-earth elements in the environmental pollution control and developing novel efficient adsorbents for arsenic removal.

本项目拟通过不同的合成方法制备磁性氧化物基稀土纳米复合材料，并筛选出3-4种具有较强磁性且对砷有较高吸附容量的复合材料。通过研究溶液pH、温度、砷初始浓度、吸附剂用量、陪伴阴离子等因素对吸附剂吸附砷的影响，得到砷的最佳吸附条件。通过吸附动力学和热力学模型拟合，得到吸附容量和吸附速率常数等吸附参数。对吸附材料进行磁性、元素组成、等电点等性能测定，以及对反应前后的吸附材料进行SEM、EDX、XPS、IR等表征，并测定吸附过程中溶液中各元素浓度变化和溶液pH变化，阐明吸附剂除砷机制和具有高砷吸附容量的主要内在因素。研究并确定吸附剂再生次数对砷吸附效果的影响，吸附剂再生的最佳条件和悬浮液的分离条件，最终为开发稀土元素在环境污染治理中的应用和探索新颖高效吸附剂提供新思路，也为开发应用经济、高效、可行和环境友好的新颖吸附剂去除水溶液中砷提供一定的理论基础和科学依据。

砷(As)是广泛存在于自然界中的一种元素，主要以As(III)和As(V)两种形式存在于水环境中。由于砷的高毒性和致癌性，世界卫生组织(WHO)规定饮用水中砷的浓度不超过10 μg/L。因此，开发一种高效除砷技术具有重要的实际意义。吸附法具有操作简单、成本低、对环境友好等优点，已成为最有效的除砷方法之一。近年来，稀土-多元金属复合物吸附材料得到了国内外的普遍关注。本项目首先合成了碱式碳酸钇，通过流动柱法研究了碱式碳酸钇对As(V)的吸附，得到As(V)的吸附量高达280 mg/g；进而制备了磁性基FeMnYO材料，其对As(V)的最大吸附容量为130 mg/g。为了提高材料对As(III)和As(V)的吸附容量，采用共沉淀法合成了2种非磁性材料——S-CuYO和S-CuLaO，以及2种磁性材料——磁性基S-FeCuYO和磁性基S-FeCuLaO，采用BET、FESEM、FTIR、XPS等对材料进行表征，通过静态摇床试验研究了溶液初始pH、共存阴离子等因素对材料吸附去除水中As(III)和As(V)效果的影响，研究了吸附过程的吸附动力学行为和吸附热力学行为，探索了材料的稳定性以及吸附机理。结果表明，这4种新颖吸附材料对水中As(III)和As(V)都具有较高的吸附容量（174-325mg/g）。吸附过程均遵循准二级动力学方程和Langmuir等温吸附模型。共存阴离子中PO43−能显著抑制As的吸附。结合吸附前后材料表征分析以及其他实验结果，提出材料中的Cu(I)能与O2（和H2O）作用，产生O2•−（和•OH），将As(III)氧化为As(V)，并通过静电引力、配位吸附等作用，将As(V)吸附去除，实现了同步氧化吸附去除水中As(III)的目的。利用S-CuLaO吸附井水中低浓度As(III)（1 mg/L），经四次重复使用（没有再生），吸附3 h后，残留As(III) 的浓度仅为 0.7 μg/L。利用磁性基S-FeCuYO吸附去除10 mg/L As(III)和As(V)，经五次循环再生重复利用，As(III)和As(V)的去除率几乎均为100%，并且可通过磁铁进行回收利用。因此，含稀土的复合材料，特别是磁性材料，在去除废水和井水中的As(III)和As(V)具有很好的发展前景，是一种经济、高效、可行和环境友好的新颖吸附剂，可应用于环境中砷污染治理。