纳米氧化铜对水中三价砷的吸附特性及机理研究

摘要:研究纳米氧化铜对三价砷(As( III))的吸附性能。采用水热法合成制备纳米氧化铜(CuO-NPs) ,并将其应用于水中砷离子的吸附脱除,通过透射电子显微镜、X-射线衍射(XRD)对CuO-NPs进行表征。制备的CuO-NPs形态稳定,平均直径在20 ~50nm,且其零电荷点为7.8。同时，通过批处理吸附试验探究了吸附时间﹑溶液pH、初始浓度等因素对水中As( I)去除率的影响。结果表明:弱碱性条件有利于CuO-NPs对As( III)的去除,且pH为8时,CuO-NPs对As( III)去除率最高,为97.05%; As( OH);和As( OH) ,0-与氧化铜水合物之间的配位交换,是As( II)被吸附去除的主要途径; As( III)对CuO-NPs的等温吸附符合Langmuir方程,最大吸附容量可达1085.040 3 uglg,且该过程是自发吸热反应﹑符合准二级动力学方程。

关键词:纳米氧化铜;三价砷;吸附动力学;等温吸附

砷是一种存在于地壳中的微量元素。水体中的砷一方面来自风化溶解等自然因素，另一方面来源于人类工业活动，比如冶金、采矿、制药等产生的副产物"。自然水体中砷通常以＋3价或+5价的无机砷形态存在,无机砷为原生毒物,能抑制具有重要生理功能的多种酶的活力,长期接触或饮用高浓度的含砷水体可导致多种癌症发生,并且As(I)比 As(V)毒性更强[2。随着全球工业的不断发展,水体砷污染日益加剧。为了保护公众用水安全,2001年,美国环保局(EPA)与美国国家科学院3联合声明对于水中砷浓度不应高于10ug/L。近年来,由于矿业活动的频繁,我国14省20多个湖泊出现了严重的砷污染问题,砷检出浓度高达1 900 ug/L4。此外,安建博等l5'调查发现,西安市某县5个自然村饮用水源长期存在超标现象,As(Ⅲ)含量高达(25.64 ±8.43)ug/L。

国内外含砷废水目前较为成熟的处理技术有混凝/沉淀法、离子交换法、生物膜法、吸附法等[6-8]。其中,吸附法由于不引入新的污染物,周期短等优点处理含砷废水更为理想。目前,被广泛用于去除水体砷的吸附剂包括铝,铁,锰,钛和磷酸铁等[9-12]。由于在去除砷的过程中常规的吸附剂受到很多因素的限制,比如受水体pH影响、水中共存的多种竞争阴离子影响、吸附缺乏动力与选择等,使得吸附有效性降低13]。Reddy K J等4在实验中偶然中发现氧化铜相比其他吸附剂有较好的吸附效率,并且不受溶液pH范围、溶液中氧化还原电位及共存阴离子影响。

近年来,越来越多的研究开始将纳米级的吸附材料应用于砷废水的处理中。例如,锰纳米颗粒、铁纳米颗粒、二氧化钛纳米颗粒﹑氧化铜纳米颗粒等[15-17]。相比常规吸附剂,纳米级吸附剂具有更大比表面积,吸附效率更高。纳米氧化铜由于其高效性和适应性强而受到广泛关注，虽然对于纳米氧化铜吸附其他污染物质的研究已经有相关文献报道，但未有文献对As( III)的吸附过程进行系统研究。本研究通过水热法合成CuO-NPs作为吸附剂,探究CuO-NPs对As ( II)的吸附效果。并且,结合透射电镜(TEM),XRD(X射线衍射)和XPS(X射线光电子能谱)表征手段,分析吸附前后以及反应过程中可能的吸附机制,以期为CuO-NPs的应用和重