CN102249364A - 采用载铁二氧化钛纳米管吸附去除水中低浓度五价砷的方法 - Google Patents

采用载铁二氧化钛纳米管吸附去除水中低浓度五价砷的方法 Download PDF

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孟繁春
周永
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Abstract

本发明公开了一种利用铁盐浸渍改性TiO2纳米管去除水中低浓度五价砷的方法。制备的TiO2纳米管具有较高比表面积，由于含铁物质在水中易生成对五价砷有特殊络合作用的表面羟基，因此将铁作为活性物质负载在TiO2纳米管表面，可获得对五价砷有较高吸附性能的新型吸附剂。以载铁TiO2纳米管为吸附剂去除水中的五价砷的方法主要包括以下步骤：（1）以TiO2纳米管为基体采用浸渍法在酸性环境中制备载铁TiO2纳米管；（2）以载铁TiO2纳米管为吸附剂，对水中的五价砷进行高效吸附。本发明所用的载铁TiO2纳米管吸附剂性能显著优于传统吸附材料，如活性炭。同时，制备方法简单，处理效果显著，用于去除水源水和饮用水中的五价砷，具有良好的经济和环境效益。

Description

采用载铁二氧化钛纳米管吸附去除水中低浓度五价砷的方法
技术领域：
本发明涉及环保领域的一种吸附技术，具体是利用载铁TiO2纳米管为吸附剂，吸附去除水中低浓度的五价砷。
背景技术：
砷是一种广泛存在于天然水体中的有毒元素。近年来，随着矿冶、皮革、陶瓷、农药等行业的快速发展，水环境中砷的污染日益严重。许多国家已经将砷列为优先控制的污染物之一，我国新颁布的饮用水标准中，已将砷含量标准从0.05mg/L提高到0.01mg/L以下。水中的砷主要以三价砷和五价砷形式存在，三价砷进入细胞的能力比五价砷强，且毒性也更强，但水体中的三价砷在一定条件下容易被氧化成五价砷。因此，水中五价砷的去除尤为关键。
目前，水中砷的去除方法主要包括：化学法、物理化学法、生物法等。其中，物化法中的混凝/过滤法、吸附法和离子交换法是主要除砷方法。混凝/过滤法主要是利用混凝剂的絮凝作用，使水中的污染物凝聚并沉降，此方法简便高效，但随着新标准的实施，这种处理方法不能满足水质要求。离子交换树脂除砷需要专有的离子树脂，即随着水中砷的形态和浓度的变化需要对离子交换树脂进行相应的改性。吸附法是一种简单易行的水处理技术，一般适合于处理量大、浓度较低的体系，更因其效率高、操作简便等优点而受到广泛关注。吸附法的关键在于吸附剂的选择。
对于水中砷的去除，常用的吸附剂是氧化铁及羟基氧化铁等含铁矿物，这些含铁矿物表面含有高密度的与砷作用的活性吸附位，使得水中的五价砷很容易被吸附到矿物表面并纳入矿物晶体的晶格。但含铁矿物类的吸附剂对砷的吸附容量相对较低，在使用中具有一定局限性。为此，开发一种高效的除砷吸附材料，对于保障用水安全具有重要现实意义。
近年来，TiO2纳米管因具有较高的比表面积和良好的化学稳定性，受到了广泛的关注，已被应用于多个领域的研究中。在吸附去除污染物方面，由于TiO2纳米管具有高于普通吸附剂的比表面积，这为提高吸附效率提供了可能性。同时，在相同条件下的对比试验显示，TiO2纳米管对五价砷的吸附量要高于传统的除砷材料（如氧化铁、活性炭、氧化铝等）。利用铁在水中对砷具有很强的选择配位作用而将其负载在TiO2纳米管表面，能够获得高活性、高比表面积的载铁TiO2纳米管吸附剂，本技术具有良好的环境效益和应用前景。
发明内容：
本发明提供了一种利用铁盐浸渍改性TiO2纳米管对饮用水和水源水中低浓度五价砷的吸附去除的方法，本发明能够有效地吸附水中的五价砷，降低水中砷带来的危害。
本发明的技术解决方案为：一种利用铁盐改性TiO2纳米管对水中五价砷吸附去除的方法，具体包括以下步骤：
（1）载铁TiO2纳米管（Fe/TNT）的制备：本发明的载铁TiO2纳米管是以TiO2纳米管为基体，采用浸渍法制备得到。TiO2纳米管采用水热法制备，具体实施方式为：以TiO2粉末与NaOH溶液进行水热反应，经酸洗、水洗、烘干得到TiO2纳米管。其中NaOH溶液浓度为10mol/L。所制得的TiO2纳米管产率高、纯度好。所用的载铁TiO2纳米管采用浸渍法制备，具体制备方式为：将上述TiO2纳米管与纳米管与FeCl3固体在酸性环境中浸渍搅拌2h，所用浸渍液HCl浓度为0.05～3mol/L，烘干即得到所用的载铁TiO2纳米管。
（2）以上述的载铁TiO2纳米管为吸附剂，在不同条件下对水中的五价砷进行吸附处理。吸附可采用动态连续或者静态间歇过程。例如，将含有五价砷的溶液在摇床上振荡吸附。
本发明适合处理的五价砷溶液的初始浓度范围为0.01～3mg/L，吸附剂的用量可根据具体情况选择。载铁TiO2纳米管吸附剂可在酸性至中性条件下吸附水中的五价砷。吸附时间和温度对吸附效果有一定的影响，可以根据具体条件作适当调整。
本发明以载铁TiO2纳米管为吸附剂，采用吸附法去除水中的五价砷，因吸附剂具有高的比表面积和良好的化学稳定性，与传统的吸附材料（如活性炭）在去除五价砷方面相比，表现出显著的优异性。此外，本发明操作过程简单，易于掌握。因此，本发明用于去除水源水和饮用水中的五价砷具有良好的经济效益和应用前景。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明：
图1是TiO2纳米管和载铁TiO2纳米管（载铁量为3.5%）对五价砷的吸附效果对比（溶液pH值为1.8）。其中横轴为吸附平衡后溶液中五价砷的浓度，纵轴为TiO2纳米管和载铁TiO2纳米管对五价砷的吸附量。
图2是载铁TiO2纳米管与常用的活性炭吸附剂在中性条件下对五价砷的吸附效果对比。其中横轴为吸附时间，纵轴为载铁TiO2纳米管和活性炭对五价砷的吸附量。
具体实施方式
    下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明：
实施例1：步骤1、称取1g TiO2粉末，加入40ml的10mol/L NaOH48h，将所得到的样品酸洗、水洗烘干后得到TiO2纳米管。
步骤2、将0.5 g TiO2纳米管浸渍在含0.0878 g FeCl3、20ml的盐酸溶液中，浸渍液盐酸浓度为0.1mol/L，室温下搅拌2h，然后用蒸馏水洗涤、烘干。经上述步骤制得的载铁TiO2纳米管（Fe/TNT），其载铁量为3.5%（以铁与TiO2纳米管的质量比计算），孔径为10.9 nm，比表面积为 233.9 m2/g。
步骤3、以载铁量为3.5%的Fe/TNT为吸附剂，吸附水中的五价砷。吸附在恒温摇床上进行。五价砷的初始浓度为2mg/L，溶液的pH值为1.8，吸附温度为298K，吸附8 h后，Fe/TNT对五价砷的吸附量为23.3 mg/g。
本实施例及以下对比例中，吸附量是指每克吸附剂（如：TiO2纳米管、载铁TiO2纳米管等）所吸附的五价砷的质量。
对比例1：在实施例1中，以未负载铁的TiO2纳米管（即载铁量为0）为吸附剂吸附水中的五价砷，其它吸附条件不变，TiO2纳米管对五价砷的吸附量为10.5mg/g。其结果见图1。图中结果表明，TiO2纳米管载铁后，其对五价砷的吸附量较负载前有显著提高。
实施例2：在实施例1中，浸渍液盐酸的浓度为0.05 mol/L，其他条件不变，测得Fe/TNT对五价砷的吸附量为19.2mg/g。
实施例3：在实施例1中，浸渍液盐酸的浓度为3mol/L，其他条件不变，测得Fe/TNT对五价砷的吸附量为17.3mg/g。
实施例4：在实施例1中，其中Fe/TNT吸附剂的载铁量为1%，其他条件不变，测得Fe/TNT对五价砷的吸附量为18.2mg/g。
实施例5：在实施例1中，其中Fe/TNT吸附剂的载铁量为5%，其他条件不变，测得Fe/TNT对五价砷的吸附量为16.4mg/g。
实施例6：在实施例1中，其中五价砷的初始浓度为3mg/L时，其他条件不变，Fe/TNT对砷的吸附量为15.2 mg/g。
实施例7：在实施例1中，其中五价砷的初始浓度为0.01mg/L，其他条件不变，吸附后溶液中未检测到五价砷。
实施例8：在实施例1中，其中五价砷溶液的pH值为1.0时，其他条件不变，Fe/TNT对五价砷的吸附量为9.7 mg/g。
实施例9：在实施例1中，其中五价砷溶液的pH值为6.5时，其他条件不变，Fe/TNT对五价砷的吸附量为13.0 mg/g。
实施例10：在实施例1中，其中吸附时间为24h时，其他条件不变，Fe/TNT对五价砷的吸附量为25.9 mg/g。
实施例11：在实施例1中，其中吸附时间为2h时，其他条件不变，Fe/TNT对五价砷的吸附量为19.8 mg/g。
实施例12：在实施例1中，其中吸附温度为313 K时，其他条件不变，Fe/TNT对五价砷的吸附量为21.0 mg/g。
实施例13：在实施例1中，其中吸附温度为288 K时，其他条件不变，Fe/TNT对五价砷的吸附量为35.5 mg/g。
对比例2：以普通活性炭粉末为吸附剂，吸附条件同实施例1，测得活性炭粉末对五价砷的吸附量为6.7mg/g，其结果见图2。图中结果表明，与传统的吸附剂（活性炭）相比，载铁TiO2纳米管对水中五价砷的吸附量要明显高于活性炭，说明载铁TiO2纳米管对水中的五价砷具有良好的吸附性能。

Claims (6)

1.一种采用载铁二氧化钛纳米管吸附去除水中低浓度五价砷的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，载铁TiO2纳米管的制备：以水热法制备出的TiO2纳米管为基体、FeCl3为铁源、以盐酸作为浸渍液，在室温下，将TiO2纳米管浸渍在酸性FeCl3溶液中，搅拌后烘干得到载铁TiO2纳米管；
步骤2，以载铁TiO2纳米管为吸附剂，对水中的五价砷进行吸附。
2.根据权利要求1所述的采用载铁二氧化钛纳米管吸附去除水中低浓度五价砷的方法，其特征在于：步骤1中所述的浸渍液盐酸的浓度为0.05～3mol/L。
3.根据权利要求1所述的采用载铁二氧化钛纳米管吸附去除水中低浓度五价砷的方法，其特征在于：步骤1中TiO2纳米管上的载铁量为 0～5%。
4.根据权利要求1所述的采用载铁二氧化钛纳米管吸附去除水中低浓度五价砷的方法，其特征在于：步骤2中所述的水中五价砷的初始浓度为0.01～3mg/L。
5.根据权利要求1所述的采用载铁二氧化钛纳米管吸附去除水中低浓度五价砷的方法，其特征在于：步骤2中所述的载铁TiO2纳米管对水中五价砷的吸附在pH=1～6.5的环境下进行。
6.根据权利要求1所述的采用载铁二氧化钛纳米管吸附去除水中低浓度五价砷的方法，其特征在于：步骤2中吸附时间为2～24h，温度为288～313K。
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