CN104209082A - Fe3O4-MnO2吸附剂的制备及利用其去除水中镉（Ⅱ）的方法 - Google Patents

Fe3O4-MnO2吸附剂的制备及利用其去除水中镉（Ⅱ）的方法 Download PDF

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Abstract

Fe3O4-MnO2吸附剂的制备及利用其去除水中镉(Ⅱ)的方法，它涉及一种复合吸附剂的制备方法及利用吸附剂去除水中镉(Ⅱ)的方法。本发明目的是要解决现有存在用于去除水中镉(Ⅱ)的吸附剂存在吸附处理时间长，回收困难的问题。Fe3O4-MnO2复合吸附剂的制备方法：按FeSO4·7H2O与KMnO4摩尔比1:1利用FeSO4·7H2O、聚乙烯吡咯烷酮、去离子水、NaOH和KMnO4制备而成。去除水中镉(Ⅱ)的方法：调节含镉(Ⅱ)污染水的pH，加入Fe3O4-MnO2复合吸附剂搅拌吸附，即可完成镉的快速去除。优点：实现对镉(Ⅱ)高效去除。本发明主要用于去除污染水中镉(Ⅱ)。

Description

Fe3O4-MnO2吸附剂的制备及利用其去除水中镉(Ⅱ)的方法
技术领域
本发明涉及一种复合吸附剂的制备方法及利用吸附剂去除水中镉(Ⅱ)的方法。
背景技术
随着化学工业的发展，镉元素被广泛应用于电镀工业、化工业、电子业和核工业等领域，产生了大量的含镉废水，废水若不达标排放会给生态环境的可持续发展和人类的身体健康带来严重威胁。镉污染事件的发生频率逐渐增加，给环境带来污染，影响水生生物的安全，易引起受污染地区居民心理恐慌，给人类的生命健康带来不利影响。如2005年12月15日，广东北江流域镉污染事件；2009年8月3日，湖南浏阳镉污染事件；2011年9月，云南曲靖镉污染事件；2012年1月15日，广西龙江镉污染事件等。
目前处理受到镉污染的废水的主要方法有化学沉淀法、离子交换法、膜过滤法和吸附法等，其中吸附法因操作简便、处理成本低和处理效率高等优点受到了人们的关注。但是现有用于去除水中镉(Ⅱ)的吸附剂存在问题吸附处理时间长，回收困难，导致吸附剂无法重复利用，增加处理成本。
发明内容
本发明目的是要解决现有用于去除水中镉(Ⅱ)的吸附剂存在吸附处理时间长，回收困难的问题，而提供一种Fe3O4-MnO2吸附剂的制备及利用其去除水中镉(Ⅱ)的方法。
Fe3O4-MnO2复合吸附剂的制备方法，具体是按以下步骤进行的：将0.20molFeSO4·7H2O和10.0g聚乙烯吡咯烷酮溶于100mL去离子水中，混匀后加入900mL90℃的去离子水中，再加入0.40molNaOH，在温度为90℃下搅拌反应2min，然后加入0.2molKMnO4，并在温度为90℃、搅拌条件下熟化3～6h，冷却至室温，去除上清液，先采用去离子水洗涤三次，再采用无水乙醇洗涤三次，在80℃下烘干1～3h，得到Fe3O4-MnO2复合吸附剂。
利用上述Fe3O4-MnO2复合吸附剂去除水中镉(Ⅱ)的方法，具体是按以下步骤完成的：将含镉(Ⅱ)污染水的pH调节为5～8，然后加入Fe3O4-MnO2复合吸附剂搅拌吸附30min以上，即可完成镉的快速去除。
所述Fe3O4-MnO2复合吸附剂与含镉(Ⅱ)污染水中镉(Ⅱ)的质量比为(40～60):1。
本发明优点：一、本发明所述的Fe3O4-MnO2复合吸附剂具有磁性，可以通过外加磁场或离心等方式分离回收并重复使用，不会引发水体的二次污染。二、本发明的吸附反应速率较快，操作简单，无需安装大型专用设备，能耗低，处理成本低，适合大量生产和工程应用。三、本吸附剂处理效率高，向初始浓度为5.0mg/L的含镉(Ⅱ)污染水中按投加量为200mg/L投加Fe3O4-MnO2复合吸附剂，通过计算可知平衡吸附量为24.84mg/g，镉(Ⅱ)的去除率达到99％以上；向初始浓度为1.0mg/L的含镉(Ⅱ)污染水中按投加量为200mg/L投加Fe3O4-MnO2复合吸附剂，检测处理后含镉(Ⅱ)污染水中镉浓度低于5μg/L，达到国家生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)。
附图说明
图1为试验二含镉(Ⅱ)污染水浓度随吸附时间的变化曲线；
图2为试验二对比试验1含镉(Ⅱ)污染水浓度随吸附时间的变化曲线；
图3为试验二对比试验2含铬(Ⅵ)污染水浓度随吸附时间的变化曲线；
图4为试验四Langmuir吸附等温线图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是Fe3O4-MnO2复合吸附剂的制备方法，具体是按以下步骤进行的：将0.20molFeSO4·7H2O和10.0g聚乙烯吡咯烷酮溶于100mL去离子水中，混匀后加入900mL90℃的去离子水中，再加入0.40molNaOH，在温度为90℃下搅拌反应2min，然后加入0.2molKMnO4，并在温度为90℃、搅拌条件下熟化3～6h，冷却至室温，去除上清液，先采用去离子水洗涤三次，再采用无水乙醇洗涤三次，在80℃下烘干1～3h，得到Fe3O4-MnO2复合吸附剂。
反应原理：
当铁锰摩尔比为4.5:1，恰好发生式(1)和(2)的化学反应：
FeSO4+2NaOH→Fe(OH)2+Na2SO4   (1)
9Fe(OH)2+2KMnO4→3Fe3O4+2MnO2+2KOH+8H2O   (2)
本实施方式中铁锰摩尔比为1:1，多余的KMnO4发生(3)反应：
4KMnO4+2H2O→4MnO2+3O2+4KOH   (3)
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：在温度为90℃、搅拌条件下熟化3h。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：在80℃下烘干2h。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式利用Fe3O4-MnO2复合吸附剂去除水中镉(Ⅱ)的方法，具体是按以下步骤完成的：将含镉(Ⅱ)污染水的pH调节为5～8，然后加入Fe3O4-MnO2复合吸附剂搅拌吸附30min以上，即可完成镉的快速去除。
本实施方式所述的Fe3O4-MnO2复合吸附剂是具体实施方式一制备的。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四的不同点是：所述Fe3O4-MnO2复合吸附剂与含镉(Ⅱ)污染水中镉(Ⅱ)的质量比为(40～60):1。其他与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五之一不同点是：将含镉(Ⅱ)污染水的pH调节为6.8。其他与具体实施方式四或五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同点是：所述Fe3O4-MnO2复合吸附剂与含镉(Ⅱ)污染水中镉(Ⅱ)的质量比为60:1。其他与具体实施方式四至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四至七之一不同点是：加入Fe3O4-MnO2复合吸附剂搅拌吸附40min。其他与具体实施方式四至七相同。
采用下述试验验证本发明效果
试验一：Fe3O4-MnO2复合吸附剂的制备方法，具体是按以下步骤进行的：将0.20molFeSO4·7H2O和10.0g聚乙烯吡咯烷酮溶于100mL去离子水中，混匀后加入900mL90℃的去离子水中，再加入0.40molNaOH，在温度为90℃下搅拌反应2min，然后加入0.2molKMnO4，并在温度为90℃、搅拌条件下熟化4h，冷却至室温，去除上清液，先采用去离子水洗涤三次，再采用无水乙醇洗涤三次，在80℃下烘干2h，得到Fe3O4-MnO2复合吸附剂。
试验二：利用Fe3O4-MnO2复合吸附剂去除水中镉(Ⅱ)的方法，具体是按以下步骤完成的：将含镉(Ⅱ)污染水的pH调节为6.8，然后加入Fe3O4-MnO2复合吸附剂搅拌吸附40min，即可完成镉的快速去除；所述Fe3O4-MnO2复合吸附剂与含镉(Ⅱ)污染水中镉(Ⅱ)的质量比为40:1。
本试验所述的Fe3O4-MnO2复合吸附剂是试验一制备的。
本试验所述的含镉(Ⅱ)污染水中镉(Ⅱ)的初始浓度为5.0mg/L。
图1为试验二含镉(Ⅱ)污染水浓度随吸附时间的变化曲线；通过图1可知在吸附前5min内，镉(Ⅱ)的浓度迅速降低，当吸附时间达到30min时镉(Ⅱ)的浓度降低至0.047mg/L，镉(Ⅱ)的去除率为99.06％，吸附时间达到40min时镉(Ⅱ)的浓度降低至0.046mg/L，镉(Ⅱ)的去除率为99.08％。
试验二对比试验1：利用Fe3O4-MnO2复合吸附剂去除水中镉(Ⅱ)的方法，具体是按以下步骤完成的：将含镉(Ⅱ)污染水的pH调节为6.8，然后加入Fe3O4-MnO2复合吸附剂搅拌吸附40min，即可完成镉的快速去除；所述Fe3O4-MnO2复合吸附剂与含镉(Ⅱ)污染水中镉(Ⅱ)的质量比为40:1；所述的含镉(Ⅱ)污染水中镉(Ⅱ)的初始浓度为5.0mg/L。
本试验所述的Fe3O4-MnO2复合吸附是按以下步骤制备的：将0.45molFeSO4·7H2O和10.0g聚乙烯吡咯烷酮溶于100mL去离子水中，混匀后加入900mL90℃的去离子水中，再加入0.90molNaOH，在温度为90℃下搅拌反应2min，然后加入0.10molKMnO4，并在温度为90℃、搅拌条件下熟化4h，冷却至室温，去除上清液，先采用去离子水洗涤三次，再采用无水乙醇洗涤三次，在80℃下烘干2h，得到铁锰摩尔比为4.5:1的铁锰复合吸附剂。
图2为试验二对比试验1含镉(Ⅱ)污染水浓度随吸附时间的变化曲线；通过图2可知，吸附时间达到40min时镉(Ⅱ)的浓度为3.35mg/L，镉(Ⅱ)的去除率仅为33％；与图1对比可知，本发明制备的Fe3O4-MnO2复合吸附剂对于镉(Ⅱ)的去除效果最好，对镉(Ⅱ)的去除率达到99％以上。
试验二对比试验2：利用Fe3O4-MnO2复合吸附剂去除水中铬(Ⅵ)的方法，具体是按以下步骤完成的：将含铬(Ⅵ)污染水的pH调节为6.8，然后加入Fe3O4-MnO2复合吸附剂搅拌吸附12h；所述Fe3O4-MnO2复合吸附剂与含铬(Ⅵ)污染水中铬(Ⅵ)的质量比为40:1。
本试验所述的Fe3O4-MnO2复合吸附剂是试验一制备的。
本试验所述的含铬(Ⅵ)污染水中铬(Ⅵ)的初始浓度为10.0mg/L。
图3为试验二对比试验2含铬(Ⅵ)污染水浓度随吸附时间的变化曲线；通过图3可知，吸附时间达到12h时铬(Ⅵ)的液浓度为9.62mg/L，铬(Ⅵ)的去除率仅为3.8％，因此证明本发明制备的Fe3O4-MnO2复合吸附剂对铬(Ⅵ)几乎没有吸附效果。
试验三：利用Fe3O4-MnO2复合吸附剂去除水中镉(Ⅱ)的方法，具体是按以下步骤完成的：将含镉(Ⅱ)污染水的pH调节为6.8，然后加入Fe3O4-MnO2复合吸附剂搅拌吸附40min，即可完成镉的快速去除；所述Fe3O4-MnO2复合吸附剂的投加量为200mg/g。
本试验所述的Fe3O4-MnO2复合吸附剂是试验一制备的。
本试验所述的含镉(Ⅱ)污染水中镉(Ⅱ)的浓度分别为1mg/L、5mg/L、10mg/L、20mg/L、30mg/L和50mg/L。
Langmuir吸附等温式如下所示：
qe＝QmKLCe/(1+KLCe)；
线性表达式为：
Ce/qe＝1/(QmKL)+Ce/Qm；
式中：
qe——镉(Ⅱ)离子在吸附剂表面的平衡吸附量(mg/g)；
Ce——吸附平衡时镉(Ⅱ)离子的平衡浓度(mg/L)；
Qm——最大饱和吸附量(mg/g)；
KL——和吸附平衡能量相关的Langmuir常数(L/mg)。
图4为试验四Langmuir吸附等温线图；通过直线拟合得Qm＝66.23mg/g；KL＝13.73L/mg；R2＝0.9989，说明线性拟合效果较好，吸附试验结果符合Langmuir吸附模型。

Claims (5)

1.Fe3O4-MnO2复合吸附剂的制备方法，其特征在于Fe3O4-MnO2复合吸附剂的制备方法是按以下步骤进行的：将0.20mol FeSO4·7H2O和10.0g聚乙烯吡咯烷酮溶于100mL去离子水中，混匀后加入900mL90℃的去离子水中，再加入0.40mol NaOH，在温度为90℃下搅拌反应2min，然后加入0.2mol KMnO4，并在温度为90℃、搅拌条件下熟化3～6h，冷却至室温，去除上清液，先采用去离子水洗涤三次，再采用无水乙醇洗涤三次，在80℃下烘干1～3h，得到Fe3O4-MnO2复合吸附剂。
2.根据权利要求1所述的Fe3O4-MnO2复合吸附剂的制备方法，其特征在于在温度为90℃、搅拌条件下熟化4h。
3.根据权利要求1所述的Fe3O4-MnO2复合吸附剂的制备方法，其特征在于在80℃下烘干2h。
4.利用权利要求1所述的Fe3O4-MnO2复合吸附剂去除水中镉(Ⅱ)的方法，其特征在于利用Fe3O4-MnO2复合吸附剂去除水中镉(Ⅱ)的方法是按以下步骤完成的：将含镉(Ⅱ)污染水的pH调节为5～8，然后加入Fe3O4-MnO2复合吸附剂搅拌吸附30min以上，即可完成镉的快速去除。
5.根据权利要求4所述的利用Fe3O4-MnO2复合吸附剂去除水中镉(Ⅱ)的方法，其特征在于所述Fe3O4-MnO2复合吸附剂与含镉(Ⅱ)污染水中镉(Ⅱ)的质量比为(40～60):1。
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