汪 葵

(江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院，江西 贛州 341000)

鐵氧化物的合成及其對(duì)碘離子的吸附性能研究

汪 葵

(江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院，江西 贛州 341000)

通過(guò)改變鐵鹽種類和pH值合成多種羥基氧化鐵，并探究其吸附去除碘離子的性能。對(duì)吸附碘離子的時(shí)間、pH值、溫度、離子強(qiáng)度等條件進(jìn)行優(yōu)化。探究最優(yōu)吸附條件下羥基氧化鐵對(duì)I-的飽和吸附量。研究表明：在pH為7.00時(shí)，以0.50mol/L NaOH滴定0.25mol/L FeCl3所制備γ-FeOOH對(duì)碘離子吸附效果最好；γ-FeOOH對(duì)碘離子的吸附較快，大約5min就能達(dá)到吸附平衡；最佳吸附pH值為7；吸附效果隨NO3-離子強(qiáng)度的增大而下降；優(yōu)化條件下對(duì)碘離子的飽和吸附容量為21.50mg/L。

鐵氧化物 γ-FeOOH 碘離子 吸附

引言

鐵氧化物廣泛存在于各種環(huán)境介質(zhì)中，是生物-土壤-礦物-水體界面之間交互作用的重要媒介[1]。羥基氧化鐵是鐵氧化物的重要組成部分，不同相的羥基氧化鐵的相型結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性都各有差異，彼此間存在相的轉(zhuǎn)化[2]。通常利用羥基氧化鐵來(lái)氧化降解酚類等有機(jī)化合物[3]，有效地吸附土壤和水體環(huán)境中的重金屬離子，修復(fù)土壤，凈化自然環(huán)境介質(zhì)中的污染物[4]。因此，羥基氧化鐵作為一種重要的鐵氧化物，在改善環(huán)境污染和化工原料研究領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越受到重視。而隨著科技的不斷進(jìn)步，碘系化學(xué)品的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷的擴(kuò)展，碘在核工業(yè)、醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，這使得放射性碘對(duì)土壤、水體等環(huán)境的污染越來(lái)越嚴(yán)重。不同的制備方法將得到不同結(jié)構(gòu)和特性的羥基氧化鐵，本文采用不同制備方法合成了多個(gè)鐵氧化物，并對(duì)所制得的樣品進(jìn)行了物性表征和碘離子吸附研究。

1.實(shí)驗(yàn)方法

1.1 樣品制備

將配制好的鐵鹽溶液(c=0.25mol/L氯化鐵、硝酸鐵、硫酸鐵)轉(zhuǎn)移到1000mL的燒杯中，放入磁石，保持鐵鹽按適當(dāng)速度攪拌，邊攪拌邊往燒杯中逐滴緩慢滴加NaOH溶液，至溶液達(dá)到所需pH值后，停止滴加NaOH，將溶液放在60℃的恒溫環(huán)境中陳化48小時(shí)，取出溶液，抽濾，洗滌至無(wú)Cl-、NO3-或SO42-，烘干，研磨，過(guò)篩100目，放于干燥器中待用。

1.2 羥基氧化鐵對(duì)碘離子吸附實(shí)驗(yàn)

1.2.1 碘離子的測(cè)定方法

取一定量碘標(biāo)準(zhǔn)溶液或是吸附離心液放到50mL容量瓶中，加入3滴溴水，搖勻，待溴水反應(yīng)完全后，加入2mL 10 %的HCOOH溶液，搖勻，待反應(yīng)完全后，加入1mL 20%的H3PO4溶液，1mL 100g/L的KI溶液，定容搖勻，放置于暗處顯色30min，然后在350nm處，以試劑空白為參比溶液，測(cè)定吸光度。同時(shí)做一份樣品空白試驗(yàn)。

1.2.2 羥基氧化鐵樣品對(duì)I-的吸附方法

稱取0.1500g羥基氧化鐵樣品放于50ml錐形瓶中，加入25ml 100.00mg/L的KI溶液于錐形瓶中，恒溫振蕩2小時(shí)，將溶液轉(zhuǎn)移至離心管中，4000r/min離心30min，取上清液0.50mL放到50mL容量瓶中，其余按1.2.1所述操作，計(jì)算羥基氧化鐵對(duì)于碘離子的吸附率。其吸附率公式如下：

其中：η為羥基氧化鐵對(duì)于碘離子的吸附率，C0為加入初始溶液的碘離子的濃度，單位為mg/L，V1為移取的溶液的體積，單位為mL，Ct為吸附后溶液中碘離子的濃度，單位為mg/L，N為溶液稀釋倍數(shù)，m1為稱取樣品的質(zhì)量，單位為mg。

1.2.3 羥基氧化鐵對(duì)碘離子飽和吸附實(shí)驗(yàn)

配制一定濃度梯度的I-溶液，加入顯色劑，待顯色后測(cè)定吸光度，繪制I-標(biāo)準(zhǔn)曲線。其余按照1.2.1，1.2.2所述操作，其飽和吸附量計(jì)算公式：

其中：Q為飽和吸附量，單位為mg/g；C0為未吸附時(shí)碘離子的濃度，單位為mg/L；Ct為吸附試驗(yàn)之后溶液中的碘離子的濃度，單位為mg/L；N為溶液稀釋倍數(shù)；m為加入的羥基氧化鐵的質(zhì)量，單位為mg。

2.結(jié)果與討論

環(huán)境以及制備條件都會(huì)影響羥基氧化鐵的形態(tài)及晶型，采用不同的制備方法，得到的產(chǎn)物具有不同結(jié)構(gòu)和特性[5]。不同結(jié)構(gòu)其物理化學(xué)性質(zhì)存在差異，進(jìn)而對(duì)碘離子的吸附效果也會(huì)有所不同。鐵鹽的種類和濃度、沉淀劑的種類及濃度、pH值、陳化時(shí)間、溫度、攪拌以及滴加反應(yīng)物的速度等都會(huì)對(duì)產(chǎn)物的礦相、晶型、結(jié)構(gòu)組成、顆粒形貌和大小造成一定程度的影響，也會(huì)影響碘離子的吸附。

2.1 不同羥基氧化鐵的制備及對(duì)I-的吸附

本實(shí)驗(yàn)主要采用水解中和合成羥基氧化鐵的方法，選用0.5mol/L的NaOH為滴定劑，鐵鹽分別為0.25mol/L 250mL的硫酸鐵、硝酸鐵、氯化鐵三種鐵鹽，用pH計(jì)控制終點(diǎn)pH分別為7、10和12，陳化時(shí)間為48小時(shí)，陳化溫度60℃。烘干溫度80℃。

將所制備的羥基氧化鐵樣品在相同實(shí)驗(yàn)條件下吸附25mL 100mg/L的KI溶液，取吸附后的溶液進(jìn)行紫外光度法測(cè)定其吸光度，計(jì)算各樣品對(duì)I-的吸附率，選擇出吸附效果較好的樣品。結(jié)果見(jiàn)圖1所示：pH值較低時(shí)，制得的樣品對(duì)碘離子的吸附效果較好，而且隨著pH值的升高，樣品的吸附效果逐漸降低，三種鐵鹽中，氯化鐵、硝酸鐵在pH等于7時(shí)制備的羥基氧化鐵對(duì)碘離子的吸附效果最佳且氯化鐵的吸附效果優(yōu)于硝酸鐵。所以選擇吸附效果最好的FeCl3與NaOH滴定至終點(diǎn)pH值為7時(shí)制得的羥基氧化鐵進(jìn)行條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

圖1 不同鐵鹽合成材料對(duì)I-的吸附率

2.2 γ-FeOOH對(duì)碘離子吸附條件的優(yōu)化

2.2.1 吸附時(shí)間的選擇

研究羥基氧化鐵樣品對(duì)碘離子最佳吸附時(shí)間的實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置的吸附時(shí)間分別為0，2，5，10，20，30，60，90，120，150，180min，其他條件不變。KI的初始濃度為50mg/L。

圖2 吸附時(shí)間對(duì)I-吸附效果的影響

由圖2可知，在0-5min的時(shí)間內(nèi)，隨著吸附時(shí)間的增加，羥基氧化鐵對(duì)于I-的吸附率、吸附量均逐漸增加，超過(guò)5分鐘之后，隨著吸附時(shí)間的增加，I-的吸附率以及吸附量增加量非常小，幾乎保持平衡。最大吸附率達(dá)67.97%，最大吸附量為5.66mg/g。說(shuō)明羥基氧化鐵對(duì)于I-的吸附時(shí)間很短，大約為5min就可達(dá)到吸附平衡。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能是與碘離子的吸附機(jī)理有關(guān)，碘離子被吸附時(shí)主要靠靜電作用，導(dǎo)致碘離子的吸附時(shí)間極短。

2.2.2 吸附pH值的選擇

本實(shí)驗(yàn)在探討pH值對(duì)于I-吸附效果的影響的過(guò)程中，分別將吸附液的pH值設(shè)置為：3.00，4.00，5.00，6.00，7.00，8.00，9.00，10.00，其他條件不變。KI的初始濃度為50mg/L。

圖3 pH對(duì)I-的吸附效果的影響

如圖3所示可知，隨著KI溶液pH的增大，羥基氧化鐵對(duì)于I-的吸附效果也越來(lái)越好，但當(dāng)pH增加到大于7時(shí)，隨著pH的增大，羥基氧化鐵對(duì)I-的吸附效果逐漸降低。當(dāng)pH值在5.00-7.00之間時(shí)，吸附效果較好，其中當(dāng)pH值為7.00時(shí)，吸附率達(dá)到80.14%，吸附量為6.68mg/g。所以，可知羥基氧化鐵對(duì)于I-的最佳吸附pH值為7.00。

2.2.3 吸附溫度的選擇

在探討pH值對(duì)于I-吸附效果的影響的實(shí)驗(yàn)中，分別將吸附溫度設(shè)置為：25.00，35.00，45.00，55.00，65.00，75.00℃，其他條件不變。KI的初始濃度為50mg/L。

圖4 溫度對(duì)I-的吸附效果影響

如圖4所示可知，隨著溫度的增加，羥基氧化鐵對(duì)于I-的吸附率和吸附量變化均很小，即使不斷改變吸附溫度，吸附率都保持在61%左右，吸附量也維持在5.20mg/g左右。所以，羥基氧化鐵對(duì)于I-的吸附效果與吸附溫度沒(méi)有直接關(guān)系。推測(cè)可能是因?yàn)榱u基氧化鐵對(duì)于I-的吸附時(shí)間極短，I-在極短時(shí)間內(nèi)就達(dá)吸附平衡。

2.2.4 離子強(qiáng)度對(duì)于I-的吸附

在探究離子強(qiáng)度對(duì)I-吸附效果的影響實(shí)驗(yàn)中，將干擾離子NO3-的初始濃度設(shè)置為0，0.005，0.02，0.04，0.06，0.08，0.10，0.20，0.30mol/L，其他條件不變。KI的初始濃度為50mg/L。

如圖5所示，當(dāng)NO3-的濃度為0mol/L時(shí)，吸附率最大，為71.88%，吸附量最大，為5.99mg/g，隨著NO3-濃度的增大，羥基氧化鐵對(duì)于I-的吸附率和吸附量也越來(lái)越小，當(dāng)NO3-的濃度增大到0.1mol/L時(shí)，吸附率和吸附量隨著濃度的增大而趨近于不變，且吸附率只有2%左右，吸附量為0.20mg/g左右。說(shuō)明NO3-的加入極大的抑制了羥基氧化鐵對(duì)I-的吸附。可見(jiàn)在制備羥基氧化鐵時(shí)，洗滌樣品至樣品中無(wú)NO3-等陰離子是非常有必要的。

圖5 NO3-對(duì)于I-吸附效果的影響

綜上所述，羥基氧化鐵對(duì)于I-的最佳吸附條件為：由于當(dāng)吸附時(shí)間大于5min之后，隨吸附時(shí)間的增加，碘離子吸附率的變化很小，幾乎保持平衡，基于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多，時(shí)間有限等綜合考慮，我們將吸附時(shí)間設(shè)置為30min；吸附pH值為7；無(wú)NO3-等干擾離子的吸附條件下吸附效果最佳，吸附與溫度無(wú)關(guān)。

2.3 γ-FeOOH對(duì)I-的飽和容量吸附

在I-吸附的最佳條件下，探究γ-FeOOH對(duì)于I-的飽和吸附容量，將I-的初始濃度設(shè)置為：5.00，20.00，50.00，100.00，200.00，300.00，400.00，500.00，600.00 mg/L，吸附pH值為7，在室溫下振蕩30min。

圖6 羥基氧化鐵對(duì)I-的飽和吸附容量

由圖6可知，γ-FeOOH對(duì)于I-的吸附容量隨著I-的濃度的增大也逐漸增大，吸附率隨著I-濃度的增大逐漸減小。當(dāng)濃度增大到400mg/L時(shí)，隨著I-的濃度的增大，羥基氧化鐵對(duì)I-的吸附容量基本趨近于不變，達(dá)到飽和吸附狀態(tài)。在該實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)得的飽和吸附容量為21.50mg/g左右。

3.結(jié)論

(1)研究制備的γ-FeOOH吸附效果好，且操作簡(jiǎn)單，設(shè)備要求簡(jiǎn)單，成本低，可行性高。

(2)γ-FeOOH最佳制備工藝是：選用0.25mol/L的FeCl3為反應(yīng)鐵鹽，0.5 mol/L的NaOH為滴定劑，邊攪拌邊緩慢逐滴滴加氫氧化鈉至溶液pH值為7，60℃陳化48小時(shí)，抽濾，洗滌，80℃烘干。

(3)羥基氧化鐵對(duì)I-的最佳吸附條件：碘離子的吸附時(shí)間極短，大約5min左右就可達(dá)到吸附平衡，最佳吸附pH值為7，溫度不影響碘離子的吸附效果，NO3-的存在會(huì)極大地抑制羥基氧化鐵對(duì)于碘離子的吸附。

(4)由于NO3-的存在會(huì)極大地抑制羥基氧化鐵對(duì)于碘離子的吸附，可望找到一種合適的改性劑，使改性后的羥基氧化鐵可以更好的吸附I-，且吸附效果不受NO3-的影響。

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