阅读说明：本技术 一种用于去除三价砷和六价铬污染的施氏矿物 (Shi mineral for removing pollution of trivalent arsenic and hexavalent chromium ) 是由 王小明 应虹 黄坤 冯雄汉 严玉鹏 刘凡 于 2019-10-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于同时去除三价砷和六价铬污染的施氏矿物,它是按以下方法制备的：将去离子水加热至50-70℃,然后加入FeCl<Sub>3</Sub>·6H<Sub>2</Sub>O和Na<Sub>2</Sub>SO<Sub>4</Sub>,将混合溶液保温搅拌5-20min,将反应后得到的沉淀冷却至室温后转移到透析袋中,透析5-10天至电导率低于100μs·cm<Sup>-1</Sup>,离心干燥后得到比表面积为100-300m<Sup>2</Sup>·g<Sup>-1</Sup>的粉末。本发明中施氏矿物对As(III)和Cr(VI)二元污染物共存体系的砷、铬去除效果好,去除表现为氧化还原-吸附联合作用,即在降低水体中砷和铬浓度的同时可进一步减小两种污染元素的毒性。(The invention discloses a schneiderian mineral for simultaneously removing trivalent arsenic and hexavalent chromium pollution, which is prepared by the following method: heating deionized water to 50-70 ℃, and then adding FeCl 3 ·6H 2 O and Na 2 SO 4 Stirring the mixed solution for 5-20min under heat preservation, cooling the precipitate to room temperature, transferring into dialysis bag, dialyzing for 5-10 days until the conductivity is lower than 100 μ s cm ‑1 After centrifugal drying, the specific surface area is 100-300m 2 ·g ‑1 The powder of (4). In the invention, the Schneider mineral pairs As (III) and Cr (VI)The arsenic and chromium removal effect of the element pollutant coexistence system is good, and the removal is represented by the combined action of oxidation reduction and adsorption, namely, the toxicity of two pollution elements can be further reduced while the concentrations of arsenic and chromium in the water body are reduced.)

一种用于去除三价砷和六价铬污染的施氏矿物

技术领域

本发明属于污染治理领域，具体涉及一种用于去除三价砷和六价铬污染的施氏矿物，本发明还涉及一种去除水体中三价砷和六价铬污染的方法。

技术背景

随着工业技术的飞速发展，工业生产的废水、农药和医药废弃物等引发的重金属污染逐渐成为全球性的环境问题。其中，重金属砷是对人体危害极大的元素之一，且其不能被降解，易通过食物链和地球化学循环不断积累，对生态系统造成极大的威胁。砷在天然水中主要以As(III)和As(V)两种形式存在，前者毒性比后者大60倍，且移动性强，不易被吸附剂吸附去除。铬是一种青灰色的过渡金属，广泛分布于地壳中，在溶液环境中Cr(VI)和Cr(III)是最常见的，且Cr(VI)的毒性是Cr(III)的100～1000倍。长期暴露在Cr(VI)污染环境中会给人体带来巨大的健康危害，如导致胃肠道、皮肤疾病以及异常血液功能等。近年来，污染水体中经常出现As和Cr的复合型污染，特别是在酸性矿山废水、颜料制造等工业废水中。因而，如何高效治理高毒性、高致癌性的As、Cr复合污染对改善矿区地下水重金属污染现状具有重要环境意义。

吸附技术是目前高效处理矿区重金属污染的重要方法之一，利用比表面积较大的不溶性固体材料作为吸附剂，通过物理吸附、化学吸附或者离子交换等作用将水中的污染元素转移到固相中，从而达到去除污染物的目的。在砷和铬的污染去除方法中，吸附法也是运用最广泛的方法之一，砷的吸附剂有活性炭、活性铝、粘土、铁氧化物等，铬常用的吸附剂有活性炭和铁氧化物。此外，由于Cr(VI)的毒性是Cr(III)的1000倍，而As(III)的毒性是As(V)的60倍，实际处理过程中，经常将Cr(VI)还原成Cr(III)，As(III)氧化成As(V)，从而降低污染物毒性。

施氏矿物是一种在酸性矿山废水环境中常见的富含硫酸盐的羟基铁氧化物，具有较大的比表面积和表面OH位点密度以及高浓度的硫酸根含量，使得其对重金属元素有良好的吸附和交换去除能力。近年来，施氏矿物作为一种环境修复材料被广泛运用于污染水体的治理，且表现出良好的效果，尤其是对砷和铬的去除，其单独的富集量可以达到812ppm(Cr)和6740ppm(As)。此外，施氏矿物在一定条件下不止有吸附剂的作用，还能作为催化剂，例如可通过界面作用催化Cr(VI)还原成Cr(III)，从而降低其毒性。因此，利用施氏矿物独特的结构和表面特性，可将其用于高效去除复合污染水体中的As(III)和Cr(VI)，并降低其毒性，这为治理富含As(III)和Cr(VI)的污染废水提供了一种有效途径。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种用于去除三价砷和六价铬污染的施氏矿物，本发明的第二个目的是提供所述的施氏矿物在去除水体中三价砷和六价铬污染中的应用。利用本发明对三价砷和六价铬污染进行处理，具有成本低廉、治理效果好、操作简单等优点。

一种用于去除三价砷和六价铬污染的施氏矿物，它是按以下方法制备的：将去离子水加热至50-70℃，然后加入FeCl₃·6H₂O和Na₂SO₄，将混合溶液保温搅拌5-20min，将反应后得到的沉淀冷却至室温后转移到透析袋中，透析5-10天至电导低于100μs·cm^-1，离心干燥后得到比表面积为100-300m²·g^-1的施氏矿物粉末。

优选地，所述混合溶液中，FeCl₃·6H₂O和Na₂SO₄的浓度分别为0.3-0.7％和0.1-0.2％。

所述的施氏矿物在去除水体中三价砷和六价铬污染中的应用。

一种去除水体中三价砷和六价铬污染的方法，它是先将以上制备的施氏矿物粉末加入到0.01-0.1M NaNO₃背景电解质中，在pH 5和20-30℃条件下恒定搅拌平衡10-60分钟，然后加入到三价砷和六价铬污染的水体中进行处理。所述处理时间为4小时。

与现有技术相比，本发明应用有以下优点：

其一，本发明中施氏矿物对As(III)和Cr(VI)二元污染物共存体系的砷、铬去除效果好。

其二，本发明中施氏矿物对As(III)和Cr(VI)的去除表现为氧化还原-吸附联合作用，即在降低水体中砷和铬浓度的同时可进一步减小两种污染元素的毒性。

其三，本发明中的材料简单易得，以三价铁盐和钠盐为原材料，采用温和的一步水热法合成施氏矿物，工艺流程简单、操作便捷、生产成本较低。

附图说明

图1为施氏矿物的特征X-射线衍射图(XRD)。

图2为施氏矿物的扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步详细说明，便于更方便地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

实施例1

将1L去离子水加热至60℃，然后加入5.4g FeCl₃·6H₂O和1.5g Na₂SO₄，将混合溶液60℃保温搅拌12min，将反应后得到的沉淀冷却至室温后转移到透析袋中，透析7天至电导低于100μs·cm^-1，离心干燥即得施氏矿物。

实施例2

将1L去离子水加热至50℃，然后加入3g FeCl₃·6H₂O和2g Na₂SO₄，将混合溶液50℃保温搅拌12min，将反应后得到的沉淀冷却至室温后转移到透析袋中，透析7天至电导低于100μs·cm^-1，离心干燥即得施氏矿物。

实施例3

将1L去离子水加热至70℃，然后加入7g FeCl₃·6H₂O和1g Na₂SO₄，将混合溶液70℃保温搅拌12min，将反应后得到的沉淀冷却至室温后转移到透析袋中，透析7天至电导低于100μs·cm^-1，离心干燥即得施氏矿物。

物相鉴定：得到的矿物XRD图谱如图1所示，图中的特征峰与已有报道的矿物特征峰相同，确定为施氏矿物，并测定其比表面积为185m²·g^-1(表1)。扫描电镜图如图2所示，所制备的施氏矿物为团聚的球体结构，表面带有针状凸起，形貌类似海胆状。

表1为施氏矿物的化学组成和比表面积

实施例4施氏矿物在去除水体中三价砷和六价铬污染中的应用

1)分别称量0.3g实施例1、2、3合成的施氏矿物粉末样品于140mL0.05M NaNO₃背景电解质中，利用电位滴定仪的pH 5恒定程序在25℃下恒定搅拌平衡30分钟；

2)将10mL As(III)和Cr(VI)的复合母液(摩尔比：As/Cr＝2.38或1.28)加入步骤1)的悬液中，反应浓度为2mM As(III)、0.84或1.56mM Cr(VI)；

3)在电位滴定仪的恒定pH 5程序下搅拌反应4小时；

4)在步骤3)的过程中定时取样，3mL悬液过0.22μm滤膜收集清液测定As和Cr含量，并将另外1mL悬液加入到含有4mL 1M NaOH溶液的10mL离心管中在60rpm的速度下旋转混合1小时过滤测定As(V)。

4小时后测得的结果见表1-3。

表1实施例1制备的施氏矿物对三价砷和六价铬的去除效果

比例	As(III)去除率	As(III)氧化率	Cr(VI)去除率
				As/Cr＝2.38	88.0％	42.6％	99.4％
As/Cr＝1.28	94.0％	61.1％	85.7％

表2实施例2制备的施氏矿物对三价砷和六价铬的去除效果

比例	As(III)去除率	As(III)氧化率	Cr(VI)去除率
				As/Cr＝2.38	89.5％	40.1％	98.8％
As/Cr＝1.28	94.4％	59.7％	84.1％

表3实施例3制备的施氏矿物对三价砷和六价铬的去除效果

比例	As(III)去除率	As(III)氧化率	Cr(VI)去除率
				As/Cr＝2.38	90.6％	39.7％	98.9％
As/Cr＝1.28	94.8％	61.2％	83.0％

从以上结果可以看出，本发明制备的施氏矿物对As(III)和Cr(VI)具有很高的去除率，能将大量的As(III)氧化为毒性和迁移性更低的As(V)，并在清液中检测到Cr(III)的生成。本发明对As(III)和Cr(VI)的清除效果随时间延长而逐渐增加，在处理的前4小时，清除率增加最明显，4小时以后的增加幅度很小，因此本发明对污染水体的处理时间最好为4小时。