生物矿化针铁矿处理含铬废水及其机理研究

铁的（氢）氧化物，是土壤、沉积物和水体的常见组分。特别是针铁矿（α—FeOOH）是分布最广的表生矿物，是红土型矿石中的主要矿物成分，含量≥15％，也是我国东海、长江口和黄河口海域的各种水合氧化物中的主要成分，且具有稳定的化学性质和较高的比表面积，吸附性能良好，对阴、阳离子、重金属离子及有机螯合剂在地表环境中的迁移和沉淀有重要影响，因而具有十分重要的环境学意义。利用这样一种来自于天然的，因而具有良好的环境属性的物质来处理重金属废水，具有其它许多材料所不具备的环境协调性等方面的优势。 本研究进行了利用天然生物矿化针铁矿处理含铬模拟废水以及大冶有色金属公司的实际废水实验，旨在研究该针铁矿对重金属的吸附固定能力及机理，考察其作为吸附材料在废水处理及原位土壤修复中的可行性。 在本实验得出的最优条件下，吸附Cr2O_2-与CrO42-模拟废水的介质pH值为7.00，吸附Cr3+的介质pH值为5.50；当Cr2O72-、CrO42-和Cr3+的初始浓度为10mg／L时，其去除率分别达到89.33％、88.27％和98.26％。用吸附了铬离子的针铁矿进行的二次吸附实验（条件同前）去除率达到80％左右，表明该针铁矿可以重复利用。淡水介质中的解吸实验（条件同吸附实验，样品吸附时的初始浓度为20mg／L）发现，Cr3+的解吸率为0.318％，CrO42-则为9.64％，表明针铁矿对重金属离子具有较强的固定能力。 矿化合成样品吸附比较研究表明，表面较高浓度的有机大分子修饰FeOOH对CrO42-的吸附行为与纯FeOOH存在明显差异。说明环境中针铁矿矿物与重金属离子的界面作用受到多糖、蛋白质等有机物的显著影响，同时它们的微结构也起剑重要作用，而比表面积并不是矿物吸附性能的决定因素。 光电子能谱研究表明，吸附Cr3+后样品的XPS谱图中出现了比较弱的N1s峰，说明有少量NO3-参与离子交换反应。对该N1s峰进行的退卷积处理表明N在针铁矿上发生了还原反应。对吸附Cr3+后的样品进行的XPS测试发现，铬的化学状态除有Cr（Ⅲ）外，主要为Cr（Ⅵ）。表明Cr3+在针铁矿表面发生了氧化反应。NO3-在针铁矿表面的还原作用有可能促进了Cr3+氧化为Cr（Ⅵ）。吸附Cr2O72-样品的XPS测试，则发现铬的化学状态除Cr（Ⅵ）外还有Cr（Ⅲ）出现，说明在吸附过程中Cr（Ⅵ）发生了还原反应。 SEM研究表明，针铁矿的微形貌及其中的粘土成分对铬离子的吸附都会有影响。草莓状颗粒上α-FeOOH含量较高，6价铬吸附量也较大，说明α-FeOOH对6价铬有较强的吸附能力；粘土含量较高的小颗粒则对Cr3+吸附能力较强。TEM／EDX、SEM／EDX及XPS分析发现铬的吸附存在不均匀性。