氢还原针铁矿制备纳米铁去除Pb2+的研究
摘要
针铁矿通常呈现纳米针状晶体,具有较大的比表面积和较强的表面化学活性,大量聚集形成矿床,是重要的矿物资源.此外,受形成环境影响,还广泛存在于土壤和沉积物中,对环境污染物、营养元素的迁移、转化和富集产生重要影响.目前对针铁矿的研究主要集中在矿物形成、分布、地球化学环境、风化程度和气候变化、晶体结构、热结构演化、表面结构、表面反应性、合成等方面的宏观到微观尺度研究.关于针铁矿作为环境材料以及纳米材料前驱体用于环境污染治理的研究少有报道.前期研究表明针铁矿作为催化剂载体负载TiO2具有较好的光催化活性,负载镍具有优越的催化裂解生物质焦油活性;作为催化剂具有较好的选择性催化还原NOx活性;作为前驱体可通过氢气还原法制备纳米零价铁,可有效降解硝酸盐氮、去除溶液中无机磷。本摘要报道了氢气还原天然针铁矿法制备纳米零价铁用于去除溶液中Pb2+的研究,并与商用铁粉作对比。由于天然针铁矿在氢还原过程中可能是由于晶格发生类质同象替代的原因导致针铁矿未能完全还原为零价铁,还有部分磁铁矿的存在,所以实验中也选择了磁铁矿作对比以消除天然针铁矿还原产物中磁铁矿的影响。三种材料针铁矿300℃下还原(Fe3O4)、针铁矿500℃下还原(NZVI)、商用铁粉(CIP)在以下固定条件下进行试验:pH 4.1;Pb2+初始浓度0.2 mM;液体体积50 mL;取样时间10 min、20 min、40 min、1h、1.5h、3h、8h、24h;材料质量50 mg;颗粒粒径<75μm。从全谱和局部放大图中可以看出,吸附Pb2+后谱图中出现了位于结合能为139.7eV和135.2eV的峰,根据C1s矫正后,其确切结合能为142.2和137.7eV,属于Pb2+的特征峰,但未发现Pb0的特征峰,表明本实验中Pb2+未被还原成Pb0或者生成的Pb0。在表征前已被氧化成Pb2+。XRD表征表明NZVI吸附Pb2+后有零价铁的腐蚀产物纤铁矿峰,所以推断认为天然针铁矿氢还原零价铁腐蚀过程中形成的纤铁矿对Pb2+具有很好的吸附效果。另外,Pb2+也会参与铁氢氧化物形成过程中即共沉淀,所以认为139.7eV和135.2eV结合能应该分别归属于共沉淀嵌入的Pb2+和表面吸附的Pb2+。总的来说,实验中零价铁对Pb2+的去除主要是通过共沉淀和表面吸附络合作用实现的,或许存在还原作用,其中零价铁锈蚀产生的纤铁矿促进了Pb2+的去除。