抗坏血酸还原高锰酸钾合成δ-MnO2及其在水处理方面的应用

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氧化锰矿物具有独特的矿物结构(高度缺陷性结构和非理想配比性)及优越的表面化学性质(比表面积大、电荷零点低、负电荷量高、表面活性强等),不仅对自然环境中的重金属具有较强的吸附富集能力,还能氧化一些无机和有机污染物,影响和决定着这些污染物在环境中的浓度、形态、化学行为及生物毒性,在地球化学循环中起着重要的作用。因此,开展氧化锰矿物合成及性质的研究,对深入了解和认识氧化锰矿物的资源属性和环境属性,促进环境友好材料(氧化锰矿物)的开发和应用具有重要的理论和实践意义。  本文研究了在常压条件下,用抗坏血酸还原高锰酸钾合成δ-MnO2的影响因素和反应机制。采用X-射线衍射(XRD)、比表面积(SSA)、热重(TG)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和光电子能谱(XPS)等测试技术对产物进行了一系列的表征。并比较了该方法合成产物与常压110℃回流条件下 HCl还原高锰酸钾合成产物对Pb2+、Zn2+的等温吸附特性和对亚甲基蓝的脱色性能。取得的主要结果有:  1、抗坏血酸还原高锰酸钾合成δ-MnO2的影响因素及产物的表征  (1)探讨了反应温度、滴加速率、pH值和反应物初始摩尔比等因素对反应产物的影响,并确定了最佳反应条件:冰浴、0.75mL/min、pH=3.0和摩尔比为10。(2)为进一步研究合成产物的理化性质,选取pH=3.0、摩尔比为8、10、16和pH=5.0、摩尔比为10的四个条件下合成矿物(依次命名为Vc083、Vc103、Vc163和Vc105号样品)。XRD图谱分析表明,在60℃下老化一个月后的Vc083、Vc103、Vc163和Vc105号样品均只在7.23埃米、3.61埃米、2.44埃米和1.42埃米处具有特征衍射峰,表明样品为纯度较高的δ-MnO2;比表面积分析结果显示,四个样品的比表面积分别是162.7、180,2、166.4和206.9m2/g,远远大于 HCl号样品的比表面积(39.7m2/g);SEM和 TEM分析表明Vc083、Vc103、Vc163和 Vc105号样品存在片状和花球状两种结构形态,并且其花球状结构的直径仅有几十纳米。(3)热重分析结果显示,五个供试样品均有三个失重平台,Vc083、Vc103、Vc163和 Vc105号样品中的物理吸附水和结构水(分子水和羟基)的失重率分别为16.37%和13.80%、15.51%和12.85%、13.33%和14.03%,均高于HCl号样品的10.37%和10.18%。光电子能谱分析结果显示,四个样品表面结晶水中的氧和羟基氧的含量分别占总氧含量的28.3%和19.4%、27.7%和21.0%、26.3%和19.9%、26.9%和20.5%,均比 HCl号样品中的含量(21.2%和14.7%)高,这与热重分析结果一致。  2、Vc083、Vc103、Vc163和 Vc105号样品对Pb2+、Zn2+的吸附性能要优于HCl号样品:供试样品对Pb2+吸附能力大小顺序为(mmol/kg):Vc105(3425)﹥Vc103(3244)﹥Vc083(3075)﹥Vc163(3054)﹥HCl(2412);对Zn2+吸附能力大小顺序为(mmol/kg):Vc103(1789)﹥Vc105(1745)﹥Vc163(1637)﹥Vc083(1352)﹥HCl(1340)。  3、由于Vc083、Vc103、Vc163和Vc105号样品比表面积大,并且矿物表面含有大量的羟基氧,具有较高的吸附性能和表面活性,对亚甲基蓝的脱色性能要明显好于HCl号样品。不仅脱色效率高,而且反应速度快,在反应进行60min时,脱色率就可以达到95%以上。在碱性条件下,HCl号样品对亚甲基蓝的脱色率只有10%,而Vc105号样品对亚甲基蓝的脱色率高达85%,同样表现出较好的脱色性能。
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