铁锰复合材料吸附工业废水中铊的机理研究

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  内容提示：材料研究与应用 2024，18（1）：179⁃186Materials Research and Application Email：. comhttp：//mra. ijournals. cn铁锰复合材料吸附工业废水中铊的机理研究李京龙,张平 *（广州大学化学与化学工程学院，广东 广州 510006）摘要： 铊(Thallium，Tl)是一种高毒性金属，其致死剂量仅为 10—15 mg∙kg −1 。由于锰氧化物具有优良的吸附性，因此在铊污染防治中展现出很好的应用前景。然而，锰氧化物在吸附铊的过程中会溶出锰，因而对环境能够造成二次污染。为解决该问题，引入铁元素制备铁锰复合材料，降低吸附过程中锰的溶出。根据结果得出：铁元素的引入能大幅地减少吸附过程中锰的...

  材料研究与应用 2024，18（1）：179⁃186Materials Research and Application Email：. comhttp：//mra. ijournals. cn铁锰复合材料吸附工业废水中铊的机理研究李京龙,张平 *（广州大学化学与化学工程学院，广东 广州 510006）摘要： 铊(Thallium，Tl)是一种高毒性金属，其致死剂量仅为 1015 mg∙kg 1 。由于锰氧化物具有优良的吸附性，因此在铊污染防治中展现出很好的应用前景。然而，锰氧化物在吸附铊的过程中会溶出锰，因而对环境能够造成二次污染。为解决该问题，引入铁元素制备铁锰复合材料，降低吸附过程中锰的溶出。根据结果得出：铁元素的引入能大幅地减少吸附过程中锰的溶出，当初始 Tl 0 浓度为 10 mg∙L 1 时，1 mg∙L 1 的铁锰复合材料对铊的去除率超过 99%，同时锰的溶出浓度控制在国家排放标准以内（0. 3 mg∙L 1 ），达到了 0. 11 mg∙L 1 ；等温吸附曲线 K 时，铁锰复合材料的吸附符合 Freundlich 吸附曲线 mgg 1 。说明，铁锰复合材料在大大降低锰溶出的同时，也能够高效地去除铊。关键词： 除铊；锰溶出；铁锰复合材料；等温吸附；污染；防治；工业废水；机理中图分类号：O658. 9文献标志码： A 文章编号： 1673-9981（2024）01-0179-08引文格式：李京龙，张平 . 铁锰复合材料吸附工业废水中铊的机理研究［J］. 材料研究与应用，2024，18（1）：179-186.LI Jinglong，ZHANG Ping. Mechanism Study of Iron-Manganese Composites for Thallium Removal in Industrial Wastewate［J］. Materials Research and Application，2024，18（1）：179-186.0引言大多数 Tl化合物具有剧毒性，其对哺乳动物的毒性远高于汞、铅和砷，可溶性 Tl盐对人体的致死剂量仅为 1015 mgkg 1［1］ 。因此，控制 Tl污染在许多国家变得日益重要。政府制定了安全准则，以规范这种有毒金属从工业活动中向环境的排放和释放。在自然条件下，游离铊主要以 Tl （I）形式存在［2］ ，而在强氧化性的条件下可形成 Tl （III） ［3］ ，如在含锰（IV）的体系中，Tl （I）可氧化为 Tl （III）［4］ 。人们提出了多种从废水中去除 Tl 的技术，包括吸附［5］ 、氧化 ［6］ 、离子交换 ［7］ 和溶剂萃取 ［8］ 等，其中吸附因方法因简单和高效而非常关注。同时，人们还对多种吸附剂（如氧化铝［9］ 、普鲁士蓝 ［10］ 、二氧化钛［11］）对 Tl的吸附性进行了评价，其中锰氧化物具有较高的比表面积、吸附强度和选择性［12-14］ 引起注意，其可用于 Tl吸附去除。锰氧化物是一种优良的具有吸附性能的氧化剂，其以开放的层状结构［15］ 、丰富的缺陷位点 ［12］ ，以及锰对变价离子表现出的高氧化潜能［16］ ，而非常关注。Dahal 等［17］ 制备了纳米级的 nMnO2 ， 其最大吸附能力为 672 mg∙L 1 。尽管 MnO 2 对铊具有较强的去除能力，但是传统锰氧化物在吸附重金属时均存在某些特定的程度的溶出现象［18］ 。在我国，锰属于有着严格排放标准的一类重金属污染物，因此在吸附剂实际应用的风险评估分析中需要考虑到这一点［19］ 。为解决锰溶出问题，需要对锰氧化物进行某些特定的程度的改性，如将具备强氧化能力且无毒无害的金属元素作为优化剂，能够大大减少铊（I）对锰元素的还原，以此来降低锰的溶出。虽然 Au（III）、Ag（I）、Ce（IV）、Pb（IV）和 Co（III）等金属元素的氧化能力均强于 Mn（IV），但是需考虑到引入 Pb（IV）、Co（III）元素会造成新的污染源，而 Au、Ag会极大地增加处理废水的成本。Wang 等［20］ 通过在二氧化锰晶格中引入铁离子而形成固溶体，从而抑制了二氧化锰的结晶，此外铁的引入还会增加二氧化锰表面上的氧空位（V O ），使得金属材料表现出更高的氧化活性［21］ ，同时表面V O 位点的产生更加有助于增加表面负电荷密度，带正电荷的 V O 可以在氧化过程中积累多余的自由电子，可使其发挥与贵金属相似的作用。Shi等［22］ 通过电沉积的方法合成了 MnO 2 /PDA/Fe 3 O 4 纤维，该纤维表现出优异的除 Pb（II）能力。表明，通过引入 Fe元素，提高催化剂金属氧化物的催化性能，该方法是一收稿日期：2023-03-21基金项目：广东省自然科学基金面上项目（2020A1515011440）；广州市科技计划项目（2）作者简介：李京龙，硕士研究生，研究方向为环境材料。E-mail：lijing837269@163. com。通信作者：张平，博士，教授，研究方向为环境材料。E-mail：zhangping@gzhu. edu. cn。DOI：i.mra.2024.000121