赤鐵礦表面電荷與去除kelvin平衡效應關系

馮曉強 方繼敏

摘要：利用所制備的赤鐵礦、針鐵礦，及通過自動電位滴定分析得到零電荷原點赤鐵礦pHzpc=7.65、針鐵礦pHzpc= 5.64，將赤鐵礦和針鐵礦分別進行了五氯苯酚和羅丹明-B廢水的吸附實驗研究，分析了表面電荷與最佳去除kelvin平衡效應的關系。在產生kelvin效應的廢水里面，加入200-300ppm硫酸鋁在一定的pH（7.5-8.5）值下，能夠消除kelvin效應的色度，實現COD、含量的正常測量，針鐵礦的kelvin效應強于赤鐵礦、消除kelvin效應的色度時，針鐵礦、赤鐵礦表面形態以脫質子化狀態為主。

關鍵詞：赤鐵礦、針鐵礦、表面電荷、去除kelvin效應

序言

納米含鐵物質（包含鐵的氧化物，鐵的氫氧化物，拓展的有二氧化鈦等其它納米材料）大多為半導體，具有明顯的量子效應、價格低廉、環境相容性好、吸附容量大，其禁帶寬度為 2.0-2.3eV， 在太陽光的作用下具有光催化活性，廣泛地用做吸附材料或光催化材料[1-3]。納米含鐵物質吸附、催化有機物過程中，由于納米礦物的粒徑較小一殷為2-200nm， 具有極大的表面能，在廢水中由于kelvin效應-納米材料的溶解度增大效應，鐵離子等納米材料表現出過大的溶解度從而使得吸附、催化處理后的廢水會表現出一定的顏色，吸附、催化單元操作后的廢水采用紫外可見分光光度計、氣相或液相色譜用來分析有機物含量時，由于鐵（或其它）膠體的存在，會嚴重干擾測定結果乃至經常得到吸附、催化單元操作后的廢水中有機物濃度反而增加的錯誤結論。常見的微濾膜、超濾預處理方法均無法去除溶解的鐵膠體，采用固相萃取時，由于溶解的鐵（或其它）膠體表面對有機物較強的吸附容量，依然不能準確測定廢水中的有機物含量[4]。

采用納米級物質吸附劑在進行吸附有機物單元操作后，將待測出水采用含鋁鹽中和含鐵（或其它）膠體所帶電荷、凝聚、沉淀膠體，高速離心液固分離后液體送入測定，可消除含鐵膠體對測量的干擾[5]。本文采用赤鐵礦、針鐵礦圍繞赤鐵礦、針鐵礦的pHpzc范圍調整pH從pH6.0、6.5、7.0、7.5、8.0到8.5，了解不同表面電荷情況下的kelvin效應去除情況，以深入了解消除kelvin屏蔽效應的作用機制，為消除kelvin屏蔽效應提供理論基礎。

1、實驗方法

（1） 材料制備

1）赤鐵礦

采用[5-6]法制備。粒徑小于300nm，比表面積37.24m2/g;經過自動電位滴定分析、表面電荷分析，得到的赤鐵礦零電荷原點pHzpc=7.65;

2）針鐵礦

采用[7]法得到。

通過對所制備的針鐵礦的酸堿滴定與比表面積測定，輔助protfit2.表面絡合模擬軟件擬合，得到零凈質子電荷點pHzpc= 5.64。

（2） 吸附實驗

采用8mg/L的PCP（五氯苯酚）、100mg/L的羅丹明-B作為模擬工業廢水，采用平衡吸附方式進行處理，在達到吸附平衡后，測量吸光度、色度等參數，同時加入不同量的硫酸鋁鹽混凝8min、調整pH（圍繞赤鐵礦、針鐵礦的pHpzc范圍從pH6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5，了解不同表面電荷情況下的效應去除情況），得到不同pH、不同硫酸鋁鹽加量下的吸光度、色度等參數變化規律。

2、結果與討論

五氯苯酚吸附實驗結果見表2-1。

從表2-1可見，采用8mg/L的五氯苯酚pH7.0。色度≤30。赤鐵礦吸附五氯苯酚后，由于kelvin效應色度135，吸光度會增加，導致采用吸光度法測量五氯苯酚無法實現，采用GC-MS、LC-MS測量也會受到影響。采用硫酸鋁硫酸鋁加量300ppm、pH最優范圍7.5-8.0≧pHzpc=7.65時候（赤鐵礦pH≧8），色度 ≤30，能夠消除kelvin效應色度影響;針鐵礦吸附五氯苯酚后，由于kelvin效應色度175（針鐵礦kelvin效應更明顯，從表面位密度數據分析可見），吸光度會增加，導致采用吸光度法測量五氯苯酚無法實現，采用COD、GC-MS、LC-MS測量也會受到影響。采用硫酸鋁加量300-400ppm、pH最優范圍7.5-8.0≧pHzpc=6.5時候（針鐵礦pH≧6.5）色度≤30，能夠消除kelvin效應色度影響。以上結果表明，在產生kelvin效應的廢水里面，加入硫酸鋁在一定的pH值下混凝8min，能夠消除kelvin效應的色度，實現COD、GC-MS、LC-MS的正常測量，針鐵礦的kelvin效應強于赤鐵礦，需要的硫酸鋁量也大一些，消除kelvin效應的色度時，針鐵礦、赤鐵礦表面形態以脫質子化狀態為主。

羅丹明-B吸附實驗結果見表2-2。

從表2-2 表面電荷與最佳去除kelvin平衡效應優化參數表（吸附羅丹明-B ）可見，采用100mg/L的羅丹明-B調整到pH7.0，色度≤50。赤鐵礦吸附羅丹明-B后，由于kelvin效應色度增加到150，吸光度會增加，導致采用吸光度法測量羅丹明-B無法實現，采用COD、GC-MS、LC-MS測量也會受到影響。采用硫酸鋁加量300ppm、pH最優范圍7.5-8.0≧pHzpc=7.65時候（赤鐵礦pH≧8），色度≤160（與對應數值COD接近），能夠消除kelvin效應色度影響;針鐵礦吸附羅丹明-B后，由于kelvin效應色度僅下降到到280（針鐵礦kelvin效應導致COD測量值偏低），kelvin效應色度會增加，采用GC-MS、LC-MS測量也會受到影響。采用硫酸鋁加量300ppm、pH最優范圍8.0≧6.5>pHzpc=6.5時候（針鐵礦），色度≤160（與對應數值COD接近），能夠消除kelvin效應色度影響。以上結果表明，在產生kelvin效應的廢水里面，加入300ppm硫酸鋁在一定的pH（7.5-8.0）值下，能夠消除keviv效應的色度，實現COD、GC-MS、LC-MS的正常測量，針鐵礦的kelvin效應強于赤鐵礦。消除kelvin效應的色度時，針鐵礦、赤鐵礦表面形態以脫質子化狀態為主[8-10]。

3、結論

赤鐵礦、針鐵礦吸附五氯苯酚、羅丹明-B均有可能產生kelvin效應干擾COD、GC-MS、LC-MS的正常測量，加入硫酸鋁在一定的pH值下，能夠消除kelvin效應的色度，實現COD、GC-MS、LC-MS的正常測量，針鐵礦的kelvin效應強于赤鐵礦，需要的硫酸鋁量也大一些，消除keviv效應的色度時，針鐵礦、赤鐵礦表面形態以脫質子化狀態為主。

參考文獻

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*武 漢 市 科 技 局 2019 科 研 計 劃，聯 合 國 全 球 環 境 基 金（ 20191h0351） ， 國 家 自 然 科 學 基 金 （ 41372054， 51272189）和（2013020702011350）資助.

作者簡介：方繼敏 63年7月 性別：男 湖北省，武漢人，學歷：博士 職稱：副教授 湖北中圣節水股份有限公司（單位一定得正確），研究方向：污水處理