劉 嘉 張衛(wèi)民 吳震生 秦利紅 孫仁貴 孫中溪

(濟(jì)南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，濟(jì)南 250022)

α-Fe2O3，γ-Al2O3納米粒子及其混合體系酸堿性質(zhì)及對(duì)重金屬離子的吸附行為

劉 嘉 張衛(wèi)民 吳震生 秦利紅 孫仁貴 孫中溪＊

(濟(jì)南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，濟(jì)南 250022)

運(yùn)用自動(dòng)電位滴定技術(shù)分別研究了在納米α-Fe2O3，γ-Al2O3單一體系及其混合體系中礦物表面的酸堿性質(zhì)。依據(jù)表面配位理論恒電容模式，計(jì)算了相應(yīng)的表面酸堿配位常數(shù)。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果表明，按照等表面積原則混合α-Fe2O3、γ-Al2O3納米粒子得到混合體系，其表面化學(xué)反應(yīng)并非是單一體系的簡(jiǎn)單疊加，而是存在著不同礦物表面間復(fù)雜的交互作用。其表面酸堿性質(zhì)和吸附重金屬離子的行為可以用單表面模型擬合，混合體系表面反應(yīng)平衡模式和相應(yīng)的酸堿反應(yīng)平衡常數(shù)分別為：

根據(jù)重金屬離子Cu2+、Pb2+、Zn2+在α-Fe2O3/γ-Al2O3混合體系表面的吸附行為， 計(jì)算得出 Cu2+、Pb2+、Zn2+在混合體系固體表面的配位反應(yīng)平衡常數(shù)如下：

氧化鐵；氧化鋁；酸堿性質(zhì)；表面配位；吸附

不同形態(tài)的氧化鐵、氧化鋁是土壤的重要組成部分，也常常用作水處理工業(yè)中的吸附劑[1-3]和化工過(guò)程的催化劑或催化劑載體[4-5]。發(fā)生在氧化鐵和氧化鋁表面的化學(xué)反應(yīng)對(duì)于了解重金屬離子在土壤中的分布、提高吸附劑脫除重金屬離子的效率和了解化工過(guò)程催化原理至關(guān)重要，因此一直是環(huán)境工作者和化工研究人員的研究重點(diǎn)。然而自然環(huán)境和工業(yè)實(shí)踐中接觸到的氧化礦物及其微界面體系如土壤、沉積物、吸附劑、催化劑等都不是單一均質(zhì)體系，往往是多種礦物的復(fù)合體系。在環(huán)境工程中，氧化鐵和氧化鋁也常常混合用作吸附劑。另外，多組分體系土壤中的雜質(zhì)種類、含量依地域而不同，以自然土壤或礦物為吸附劑來(lái)研究環(huán)境中污染物的分布缺乏普遍的指導(dǎo)意義。人工合成的氧化鐵、氧化鋁納米材料具有物料純，組成、結(jié)構(gòu)可控的特點(diǎn)，以其作為吸附劑得到的基礎(chǔ)熱力學(xué)數(shù)據(jù)更具普適性。

表面配位理論已成為研究氧化礦物/水界面化學(xué)反應(yīng)的有力工具[6-9]。根據(jù)表面配位理論，氧化礦物表面的不飽和鍵有生成新化學(xué)鍵，降低表面能的傾向。作為氧化礦物的重要成分，鐵、鋁的氧化物通過(guò)表面層的水化作用產(chǎn)生表面羥基≡XOH，在適當(dāng)條件下發(fā)生吸附質(zhì)子或脫附質(zhì)子反應(yīng)，而產(chǎn)生表面帶電組分≡XOH2+或≡XO-，這種表面化學(xué)反應(yīng)可用質(zhì)量作用定理來(lái)描述。鐵、鋁的各種氧化物表面酸堿平衡常數(shù)已有報(bào)道，然而即使對(duì)于同一礦物，文獻(xiàn)報(bào)道的表面酸堿平衡常數(shù)差別較大，有的甚至可能差幾個(gè)數(shù)量級(jí)[10-11]。這可能是由前期處理?xiàng)l件不同，如水化時(shí)間或表面優(yōu)勢(shì)晶面含量不同所致。而對(duì)實(shí)際礦物則因?yàn)槌傻V條件、雜質(zhì)含量不同而不盡相同。有關(guān)單一金屬氧化物、自然礦物吸附重金屬離子的研究已有大量報(bào)道[12-16]，而重金屬離子在人工合成復(fù)合體系之間的表面配位常數(shù)研究仍未見(jiàn)報(bào)道。

本研究通過(guò)等表面定量混合人工合成的納米α-Fe2O3和γ-Al2O3粉末而得到它們的復(fù)合體系。根據(jù)單一和混合體系的自動(dòng)酸堿滴定數(shù)據(jù)，計(jì)算相應(yīng)的表面酸堿平衡常數(shù)，并研究了 Cu2+、Pb2+、Zn2+離子在各自體系的表面的吸附行為，得到了相應(yīng)的表面配位反應(yīng)平衡常數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)主要試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)用水均為二次蒸餾水，試劑均為分析純。

TAS-990型原子吸收分光光度計(jì)、Quantachrome Nova 2000e型比表面孔徑分析儀、日本電子JEM-100CXII型透射電鏡、德國(guó)Bruker AXS公司D8advance型X射線衍射儀、瑞士萬(wàn)通Metrohm 702 SM Titrino全自動(dòng)電位滴定儀分別被用來(lái)測(cè)定體系中金屬離子的濃度、固體比表面、表面形態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)以及礦物懸浮液體系的酸堿行為。

1.2 α-Fe2O3/γ-Al2O3納米復(fù)合體系的制備

采用溶膠-凝膠法、沉淀法并輔以輔助模板劑[17-18]分別制備α-Fe2O3、γ-Al2O3納米顆粒。具體做法如下：

將 44.50 g Fe(NO3)3·9H2O 溶于 150 mL 蒸餾水中， 用 NH3·H2O 調(diào)節(jié) pH 值于 11.0～12.0 之間，160～170℃油浴加熱約2 h。離心分離后，固體中加入水和無(wú)水乙醇(可提高干燥速率)，反復(fù)洗滌，振蕩4 h，再次離心分離。重復(fù)2次。50～60℃干燥，最后于540℃焙燒2 h制得納米α-Fe2O3顆粒。

稱取0.496 5 g固體十二胺溶于50 mL無(wú)水乙醇中，與500 mL、5%氨水混合，得到十二胺-氨水混合液。 攪拌下，在 1.0 mol·L-1、100 mL Al(NO3)3溶液中加5.997 g分散劑聚乙二醇-6000，滴入十二胺-氨水混合液，控制pH約為9.2，陳化24 h。反復(fù)離心、無(wú)水乙醇洗滌，至pH值約為7.0，干燥。最后，650℃焙燒8 h，得到目標(biāo)產(chǎn)物納米γ-Al2O3顆粒。

按照組分等表面積原則，將一定量的α-Fe2O3、γ-Al2O3機(jī)械研磨以充分混合，得到 α-Fe2O3/γ-Al2O3納米混合體系。

1.3 酸堿滴定及表面酸堿反應(yīng)平衡常數(shù)的優(yōu)化

單一組分和混合體系酸堿滴定均在0.1 mol·L-1NaNO3溶液中進(jìn)行。單一組分和復(fù)合體系固體懸浮液濃度分別為 2.0、2.4 g·L-1。 在磁力攪拌下水化 12 h，選擇等量滴定模式，步長(zhǎng)0.1 mL，兩滴間平衡時(shí)間為10 min。根據(jù)每一滴定點(diǎn)pH值數(shù)據(jù)，計(jì)算相應(yīng)的H+總濃度Ht，繪制Ht-pH圖和Gran圖。

表 1 α-Fe2O3，γ-Al2O3，α-Fe2O3/γ-Al2O3混合體系酸堿滴定參數(shù)設(shè)置Table 1 Titration parameters of α-Fe2O3,γ-Al2O3,α-Fe2O3/γ-Al2O3suspensions

根據(jù)酸堿滴定數(shù)據(jù)，用計(jì)算機(jī)軟件FITEQL4.0來(lái)計(jì)算優(yōu)化納米α-Fe2O3，γ-Al2O3單一體系及其納米復(fù)合體系的表面酸堿平衡常數(shù)。計(jì)算所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為每個(gè)滴定點(diǎn)的pH值、氫離子總濃度Ht和表面鍵位點(diǎn)濃度Hs。將有關(guān)的表面配位反應(yīng)平衡式、雙電層電容、需優(yōu)化的平衡常數(shù)依次輸入計(jì)算矩陣。采用恒電容雙電層模型，優(yōu)化計(jì)算可能存在的表面酸堿反應(yīng)平衡常數(shù)?？蓛?yōu)化的參數(shù)除雙電層電容和表面酸堿平衡常數(shù)外，對(duì)表面鍵位濃度，二氧化碳影響進(jìn)行了選擇性優(yōu)化。計(jì)算結(jié)果的均方差Vy是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論模型擬合好壞的標(biāo)志，Vy值為0.1～20時(shí)結(jié)果較為理想。單表面模型用(1)、(2)式來(lái)描述懸浮液固體表面的質(zhì)子化和脫質(zhì)子反應(yīng)：

1.4 α-Fe2O3，γ-Al2O3單一及其復(fù)合體系吸附重金屬離子研究

用 0.10 mol·L-1HNO3和 0.10 mol·L-1NaOH 調(diào)節(jié)pH 值在 3.0～9.0之間，配制一系列不同 pH 值的 Cu2+、Pb2+、Zn2+溶液。將等量重金屬離子溶液分別移入含有α-Fe2O3，γ-Al2O3及其等表面積混合的混合體系懸浮液的離心管中(單一組分體系和混合體系固體吸附劑濃度分別為 2.0、2.4 g·L-1， 離子強(qiáng)度均為 0.1 mol·L-1NaNO3)，恒溫(25℃)振蕩3 h使固液充分接觸，然后靜置12 h，離心分離前再次測(cè)定pH值。固液離心分離后，測(cè)量 Cu2+、Pb2+、Zn2+的殘余濃度，與空白實(shí)驗(yàn)對(duì)比得到吸附量與pH值的關(guān)系。利用WinSGW計(jì)算機(jī)軟件處理吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照表面配位反應(yīng)模擬懸浮液中各表面組分分布情況，擬合含有金屬離子的表面組分總和，根據(jù)殘余濃度計(jì)算得出的吸附百分?jǐn)?shù)和溶液pH 的關(guān)系得出 Cu2+、Pb2+、Zn2+在納米 α-Fe2O3，γ-Al2O3單一及其復(fù)合體系中表面配位反應(yīng)的平衡常數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品的表征

圖1為制備樣品的粉末X射線衍射圖，產(chǎn)物分別為六方晶系α-Fe2O3(PDF No.89-2810)和立方晶系γ-Al2O3(PDF No.79-1558)，晶粒細(xì)小導(dǎo)致衍射峰的寬化。從圖2 TEM照片可以看出，2種顆粒的粒徑分布均比較均勻，絕大部分α-Fe2O3的粒徑集中在30 nm左右。γ-Al2O3顆粒較小，分布在5～8 nm 之間。N2吸附/脫附實(shí)驗(yàn)得到α-Fe2O3、γ-Al2O3的BET比表面積分別為35和 222 m2·g-1。

2.2 納米 α-Fe2O3，γ-Al2O3單一及其復(fù)合體系的Ht-pH圖

氫離子在納米混合體系表面的配位平衡常數(shù)可通過(guò)固體懸浮液的酸堿滴定測(cè)定。滴定過(guò)程中每一點(diǎn)酸的總濃度定義為Ht，由式(3)得到：

其中，Ca、Cb、V0、Va、Vb分別表示滴加的酸、堿的濃度、固體懸浮液初始體積以及酸、堿的滴加體積。

從圖3不同固體懸浮液的pH-Ht圖可以看出，無(wú)論在酸性范圍還是在堿性范圍內(nèi)，單一組分α-Fe2O3固體懸浮液緩沖作用均弱于γ-Al2O3；γ-Al2O3固體懸浮液在酸性、堿性范圍內(nèi)的最大緩沖pH值分別處于4.0～4.5、8.5～9.0 附近；α-Fe2O3/γ-Al2O3混合體系在 pH值 3.5～4.0 和 9.0～10.5 范圍內(nèi)有一定的緩沖能力。 酸性范圍內(nèi)的緩沖作用對(duì)應(yīng)于固體表面的質(zhì)子化反應(yīng)，而堿性范圍內(nèi)的緩沖與固體表面脫質(zhì)子反應(yīng)對(duì)應(yīng)?；旌象w系的緩沖能力與α-Fe2O3相近，弱于γ-Al2O3單一體系。

氫離子在表面的吸附量可由Gran函數(shù)[12]求得，Gran函數(shù)表示如下：

α-Fe2O3、γ-Al2O3， 及它們混合懸浮液體系的 Gran函數(shù)圖示于圖4。以酸滴定時(shí)，滴入的酸與固體表面羥基發(fā)生配位，即質(zhì)子化反應(yīng)，強(qiáng)酸性環(huán)境下，可得到表面正電組分≡XOH2+；用堿滴定時(shí)，滴入的堿溶液依次與溶液中游離的H+、固體表面吸附的H+反應(yīng)，得到表面負(fù)電組分≡XO-。當(dāng)表面質(zhì)子配位反應(yīng)完全之后，溶液中OH-的量將隨堿的加入線性增加。因此，利用線性回歸法由Gran曲線與X軸的交點(diǎn)Ve1、Ve2可以計(jì)算該體系的表面羥基濃度Hs(mol·L-1)：

其中，NA為阿佛加德羅常數(shù)，S為體系中固體顆粒的BET比表面積，Cs為固體懸浮液濃度。3種不同體系的Hs和Ds值列于表2。

氧化物表面羥基化后，每1 nm2一般具有4至10個(gè)羥基[19]，本實(shí)驗(yàn)測(cè)定的 α-Fe2O3、γ-Al2O3和 α-Fe2O3/γ-Al2O3混合體系表面羥基密度分別為 10.24、3.84、4.78 site·nm-2，與文獻(xiàn)一致?；旌象w系表面羥基密度數(shù)值介于單一組分體系數(shù)值之間。如果兩組分之間不存在交互作用，則復(fù)合體系表面羥基濃度應(yīng)為1.30 mmol·L-1。但是，實(shí)驗(yàn)計(jì)算出的混合體系表面羥基濃度只有1.04 mmol·L-1，即形成混合體系后表面羥基濃度降低了約0.26 mol·L-1，表明兩種組分之間發(fā)生了明顯的交互作用，導(dǎo)致部分表面羥基因相互交聯(lián)而消失。

表2 α-Fe2O3、γ-Al2O3單一組分及其混合體系的Hs和Ds值Table 2 Hsand Dsvalues for different suspensions of α-Fe2O3,γ-Al2O3and α-Fe2O3/γ-Al2O3

2.3 納米α-Fe2O3，γ-Al2O3單一及復(fù)合體系表面酸堿平衡常數(shù)的計(jì)算

關(guān)于α-Fe2O3和γ-Al2O3單一氧化物的表面酸堿平衡常數(shù)已有大量報(bào)導(dǎo)，由于原料來(lái)源不同，得到的結(jié)果也不盡相同[10-11]，而對(duì)α-Fe2O3和γ-Al2O3混合體系表面酸堿平衡常數(shù)尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究測(cè)定了人工合成的α-Fe2O3和γ-Al2O3純物料單一體系和復(fù)合體系表面酸堿常數(shù)，列于表3。

表3 α-Fe2O3、γ-Al2O3和α-Fe2O3/γ-Al2O3混合體系的表面酸堿平衡常數(shù)Table 3 Surface acidic and basic reaction constants for different suspensions of α-Fe2O3,γ-Al2O3and α-Fe2O3/γ-Al2O3

結(jié)果表明，多種氧化物混合后，混合體系的酸堿性質(zhì)、吸附性能并非各種單一體系行為的簡(jiǎn)單疊合。如表3所示，若α-Fe2O3和γ-Al2O3混合后未發(fā)生表面相互作用，則在溶液中α-Fe2O3和γ-Al2O32個(gè)表面上應(yīng)共有4個(gè)表面酸堿平衡常數(shù)。而實(shí)際上，將式(1)、(2)所示的單表面模型表面反應(yīng)和可考慮的溶液反應(yīng)平衡一并代入計(jì)算矩陣，混合體系酸堿滴定數(shù)據(jù)即能很好地?cái)M合，得到lgK1=4.04、lgK2=-9.20，計(jì)算矩陣得到收斂的均方差Vy＜20。酸堿反應(yīng)平衡常數(shù)并非完全介于單一組分 α-Fe2O3、γ-Al2O3的常數(shù)之間，其中，吸附質(zhì)子常數(shù)lgK1介于單一組分之間，而脫質(zhì)子常數(shù)lgK2小于 α-Fe2O3、γ-Al2O3各自的 lgK2。

另一方面，二氧化碳對(duì)表面反應(yīng)有著重要的影響[20]。如果計(jì)算時(shí)不考慮與CO2相關(guān)的溶液化學(xué)反應(yīng)，在不優(yōu)化表面鍵位濃度的情況下，計(jì)算均方差高達(dá)180；若對(duì)表面鍵位濃度進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)定表面電容C=4.0 F·m-2時(shí)，得到 lgK1=4.06、lgK2=-9.70，均方差減小為56.16。但是，表面鍵位濃度Hs卻高達(dá)0.01 mol·L-1，超出由Gran函數(shù)計(jì)算得到的實(shí)際Hs值的10倍，顯然不合理。將與CO2有關(guān)的溶液化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)輸入計(jì)算矩陣，C=6.4 F·m-2時(shí)， 得到 lgK1=4.04，lgK2=-9.20，均方差只有14。該計(jì)算模式不僅設(shè)置參數(shù)少，還能夠合理地解釋混合體系的表面酸堿滴定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

α-Fe2O3和γ-Al2O3混合體系固體表面得失質(zhì)子平衡常數(shù)不同于α-Fe2O3和γ-Al2O3單一體系，說(shuō)明α-Fe2O3和γ-Al2O3混合后，固體表面性質(zhì)發(fā)生了顯著的變化。兩組分混合后，α-Fe2O3和γ-Al2O3表面的部分羥基可能會(huì)通過(guò)形成氫鍵而互相連接。Gran函數(shù)及表2的計(jì)算結(jié)果表明，混合體系Hs、Ds數(shù)值介于單組分?jǐn)?shù)值之間，這為混合體系表面羥基的消失提供了證據(jù)。圖5定性描述了α-Fe2O3和γ-Al2O3混合前后表面羥基變化過(guò)程，水化表面通過(guò)鍵合、失水等相互作用，使≡FeOH和≡AlOH表面相互連接，導(dǎo)致表面羥基位減少?；旌象w系的固體表面性質(zhì)，不再是單一組分表面性質(zhì)的簡(jiǎn)單疊合，而是表現(xiàn)出一種新的、均勻的、單一表面的性質(zhì)。

2.4 重金屬離子(Cu2+、Pb2+、Zn2+)在單一及混合體系的表面組分分布

在一定的 pH 值條件下，Cu2+、Pb2+、Zn2+在水溶液中均會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的水解反應(yīng)而生成一系列的金屬離子的羥基配合物和氫氧化物沉淀。因此，研究金屬離子在固體表面吸附時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮其金屬離子的各種溶液化學(xué)反應(yīng)[21]。

用計(jì)算軟件WinSGW模擬吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到金屬離子在不同氧化物固體懸浮液體系中的表面配位反應(yīng)平衡常數(shù)。例如，模擬計(jì)算得到了Cu2+離子在 α-Fe2O3/γ-Al2O3混合體系表面配位反應(yīng)≡XOH+Cu2+?≡XOCu++H+平衡常數(shù)lgK=-2.5。假設(shè)固體表面配合物≡XOCuOH的生成反應(yīng)≡XOCu++H2O?≡XOCuOH+H+平衡常數(shù)與溶液反應(yīng)CuOH++H2O?Cu(OH)2+H+平衡常數(shù)相等，即lgK=-8.28，得出反應(yīng)≡XOH+Cu2++H2O?≡XOCuOH+2H+的 lgK=-10.78。依此方法得到的 Cu2+、Pb2+、Zn2+的表面配位常數(shù)列于表4。

表4 重金屬離子在不同懸浮液體系固體表面的表面配位平衡常數(shù)(lgK)Table 4 Surface complexation constants of metal ions for different suspensions of α-Fe2O3[21]、γ-Al2O3,and α-Fe2O3/γ-Al2O3

根據(jù)表 4數(shù)據(jù)，得到 Cu2+、Pb2+、Zn2+在不同懸浮液固體表面的組分分布。圖6A、6B分別顯示了α-Fe2O3、γ-Al2O3單一組分懸浮液體系中固體表面組分分布依pH值和金屬離子種類的變化。在不含重金屬離子的α-Fe2O3懸浮液體系中，固體表面電性由酸性范圍內(nèi)的表面優(yōu)勢(shì)組分≡FeOH2+和堿性范圍內(nèi)的表面優(yōu)勢(shì)組分≡FeO-共同控制，兩種表面組分相同時(shí)，懸浮液的pH 值即為 α-Fe2O3的等電點(diǎn)(IEP)。 存在 Cu2+、Pb2+、Zn2+等金屬離子時(shí)，由于金屬離子表面配合物≡XOM+及其他表面羥基配合物的生成，氧化礦物的IEP發(fā)生移動(dòng)。圖6不僅反映出金屬離子的存在改變了礦物的等電點(diǎn)，而且表明不同種類金屬離子改變礦物等電點(diǎn)的能力與其在固體表面的配位反應(yīng)平衡常數(shù)有關(guān)。礦物表面IEP不僅受存在的金屬離子種類影響，也隨金屬離子的濃度而發(fā)生偏移。從圖7可看出，當(dāng)設(shè)定Hs=0.7 mmol·L-1時(shí)，Cu2+濃度分別為 0、0.35、0.7 mmol·L-1時(shí)，IEP 依次為 pH=6.41、8.27、10.15。

對(duì)于 α-Fe2O3/γ-Al2O3混合體系而言，Cu2+、Pb2+、Zn2+在其表面的吸附遠(yuǎn)強(qiáng)于水溶液中的水解反應(yīng)，表明混合體系表面對(duì)金屬離子具有較強(qiáng)的親和力。如圖8所示，當(dāng)混合體系懸浮液中沒(méi)有重金屬離子存在時(shí)，隨pH值的增加，固體表面優(yōu)勢(shì)組分為≡XOH2+、≡XOH和≡XO-。存在重金屬離子時(shí)，pH＜IEP時(shí)，表面優(yōu)勢(shì)組分中包含≡XOM+。隨pH值的增高，固體表面生成金屬離子的表面羥基配合物≡XOMOH。當(dāng)pH值達(dá)到重金屬離子的沉淀?xiàng)l件時(shí)，固體表面吸附位≡XOH和溶液中的OH-對(duì)重金屬離子發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，金屬離子可能會(huì)逐漸從表面吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)移化為沉淀狀態(tài)。金屬離子吸附在固體表面后以≡XOM+、≡XOMOH兩種形式存在，圖8中二者的總和與實(shí)驗(yàn)測(cè)定的金屬離子吸附量幾乎相等，說(shuō)明采用單表面模型可以完美地?cái)M合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

分析金屬離子在負(fù)電表面≡XO-位置的吸附反應(yīng)≡XO-＋M2+?≡XOM+平衡常數(shù)可以判斷金屬離子在氧化礦物表面的吸附類型。例如，≡XO-＋Cu2+?≡XOCu+的平衡常數(shù)可由反應(yīng)≡XOH＋Cu2+?≡XOCu+＋H+(lgK=-2.50)和 ≡XOH ? ≡XO-＋H+(lgK=-9.20)得到。 由此得出 Cu2+、Pb2+、Zn2+與≡XO-的吸附反應(yīng)平 衡 常 數(shù) 分 別 為 lgK=6.70、6.95、5.45。 根 據(jù) △G=-RTlnK，得出 Cu2+、Pb2+、Zn2+在 α-Fe2O3/γ-Al2O3混合體系負(fù)電表面位≡XO-上的吸附反應(yīng)自由能分別為：-38.23、-39.66和-31.10 kJ·mol-1，均屬于化學(xué)吸附范疇。

3 結(jié) 論

納米α-Fe2O3、γ-Al2O3組成的混合體系中，礦物表面羥基可能通過(guò)氫鍵而互相聯(lián)結(jié)，導(dǎo)致表面羥基濃度明顯地低于其混合前表面羥基的總和，混合體系的表面酸堿性質(zhì)和吸附行為可用恒電容單表面模型擬合。固體表面酸堿反應(yīng)平衡常數(shù)為：

重金屬離子在混合體系中的表面配位反應(yīng)平衡常數(shù)為：

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Surface Acid-Base Properties and Adsorption Behavior of Heavy Metal Ions in Aqueous Suspensions of α-Fe2O3,γ-Al2O3and Their Mixed System

LIU Jia ZHANG Wei-Min WU Zhen-Sheng QIN Li-Hong SUN Ren-GuiSUN Zhong-Xi＊
(School of Chemistry and Chemical Engineering，University of Jinan,Jinan 250022)

The surface acid-base and complexation behaviors of heavy metal ions in aqueous suspensions ofα-Fe2O3,γ-Al2O3and their mixed system were studied by potentiometric titration technique and the corresponding equilibrium constants were calculated using Constant Capacitance Model(CCM)according to surface complexation theory.The experimental and calculation results reveal that the surface chemical reactions in the mixed system are quite different from the sum of their individual single system due to complicated mutual interactions between the two mineral surfaces.The surface chemical reaction models and relevant equilibrium constants in the mixed system are established as:

and the surface complexation model and constants of Cu2+、Pb2+、Zn2+in the mixed system can be well described by following reaction:

with log K of-2.50,-2.25,-3.75,where M represents Cu2+,Pb2+,Zn2+,respectively.

Fe2O3;Al2O3;acid-base properties;surface complexation;adsorption

O614.81+1；O614.3+1；O64

A

1001-4861(2010)11-1967-08

2010-04-06。收修改稿日期：2010-07-26。

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.20677022)，國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(No.20537020)資助。

＊通訊聯(lián)系人。 E-mail：sunzx@ujn.edu.cn

劉 嘉，男，25歲，碩士研究生；研究方向：固水界面化學(xué)。