1、目 录摘要11 介绍22 材料和方法32.1.被吸收的物质：五价砷离子32.2.吸附剂：骨碳32.3.实验方法33 结果与讨论53.1. pH值的作用53.2.吸附剂量的效果53.3.吸附动力学63.4.吸附机制84 结论9致谢10参考文献11外文文献原文14关于用骨碳从水溶液中吸附五价砷的研究Yun-Nen Chen Li-Yuan Chai Yu-De Shu1、资源与环境工程学，江西理工大学，江西赣州341000，中华人民共和国2、冶金科学与工程学，中南大学，长沙410083，中华人民共和国摘要砷是一种有毒的元素，能够在自然水体和工业水体中发现。从工业废水滤去的砷进入到需要在饮用前适当处
2、理的地下水会造成重大的污染。现在描述五价砷在骨碳中的去除的研究包括pH值的功能、吸附剂的用量和接触时间。动力学显示举起被骨碳处理的五价砷在前30分钟是很快的和平衡时间是不依赖于最初的五价砷浓度的。而且吸附过程遵循动力学第一方程的。砷的去除和pH值及吸附剂的用量有很大关系。傅立叶在骨碳吸附前后红外线光谱的变化证明CaOH官能团在五价砷的去除中起重要作用，以及在骨碳中去除五价砷的机制是共沉淀和离子交换的复杂机制。结果显示骨碳可以用来高效去除水溶液中的五价砷。关键词：砷的去除，吸附动力学，骨碳，官能团，离子交换1.介绍在孟加拉国，印度和世界上其他国家已经发生人们因饮用被砷污染的水而中毒和死亡的事情。
3、在中国慢性砷中毒也形成严重的健康问题。大约有146万主要分布在西北地区包括内蒙古、新疆在内的人遭受到饮用浓度为0.03毫克/升或者更高含砷的水。如果中国目前的饮用水标准达到到一个被世界卫生组织和一些工业化国家采用的0.05到0.01毫克/升，受影响的人数会明显减少。在合理的成本上发展高效处理含砷饮用水的选择性技术是非常重要的。各种各样的技术例如离子交换法、吸附法和混凝法已经被用来去除水中的砷。和铝混凝剂比较，三价铁盐已经被发现能更有效地去除砷。虽然混凝反应是一个简单和经济的方法，但是产生大量湿泥，甚至不能达到严厉的世界卫生组织标准。因为操作简单，没有污泥，以及可以用酸或基本的过滤把吸附层再生，
4、所以吸附反应看来能成为最有前途的方法。活性碳在传统上广泛用于吸附多种有机化合物和金属离子。刘先生认为，六价铬的去除已经有计划地用改良的碳。然而，活性碳是一种相对昂贵的吸附剂而且对于砷体系可能作用不佳。在最近几年，很多廉价的吸附剂包括农业废物和副产品也已经一批批地试验以及很多发明者发明的固定床吸附系统。例如，花生壳去除废水中的离子，玉米棒子碎片去除镉，椰子壳的纤维吸附废水中的农药。干椰子肉已被用来吸附水中的镉，以及人类的头发已被测试用来吸附铅、铝和镉。骨碳吸附相当大量的金属离子的能力在最近已经被证实。骨碳源自粉碎的动物骨骼在一个密封的铁蒸器加热到500到700C4到6小时的碳化物。在加热过程后，
5、粉碎的骨骼会形成由羟磷灰石钙(CaHAP) (质量分数7076%)、碳(质量分数911%)、碳酸钙(质量分数79%)等组成的骨碳。骨碳已经被广泛用作使蔗糖脱色的吸附剂。这种吸附剂在中国山西被用作氟化物的测定剂。然而，骨碳作为一种吸附剂来去除砷离子却很少被报导。在这项研究中，在一个激烈的炉吸附器中骨碳对五价砷的吸附作用已经是有计划的。现在工作的目标是估定骨碳的吸附作用和pH值的作用、接触时间、吸附剂量及最初的砷浓度的关系。2.材料和方法所有的试剂都在分析等级。一瓶由双蒸馏水制备的三价砷溶液，和二乙基二硫代氨基甲酸银溶液是用来测定砷的。标准酸（0.5摩尔硫酸）和氢氧化钙饱和溶液是用来调节pH值的。
6、pH值的测定是用一个pH计，中国上海雷茨pHS-3 C型号。砷的是用三氢砷化发生器和稍后用型号为VIS-7220的分光光度计在波长为530纳米下测定的。2.1.被吸收的物质：五价砷离子砷酸钠(Na3AsO412H2O)是五价砷的来源。一瓶溶液（1000毫克每升）是用1000mL蒸馏水溶解5.6583克砷酸钠来制备的。五价砷水溶液是通过向五价砷标准溶液加入自来水来制备的。2.2.吸附剂：骨碳这次用于研究的骨碳是由中国四川一家生物化学有限公司提供。骨碳的物理和化学性质由厂商提供。表1显示骨碳的主要成分是羟磷灰石钙。碳在骨碳中的羟磷灰石多孔结构中到处分布着。表1 骨碳的物理性质和化学性质物理性质化学
7、性质项目限值项目限值容积密度 (干)655kgm3不能酸溶的灰3wt% max碳表面积52m2g1碳酸钙79wt%总表面积150m2g1硫酸钙0.10.2wt%毛孔量, Vp0.23cm3g1碳含量911wt%湿度5wt% max羟磷灰石钙7076wt%因为500710微米的颗粒物大约占90%，所以骨碳可以不用过滤而直接使用。2.3.实验方法骨碳吸附实验是在室温下用1000毫升烧杯来操作以获取平衡数据；一个磁性搅拌器用来搅拌溶液。反应混合剂包括被称量好并投加到溶液中的已知浓度的500毫升五价砷溶液和吸附剂（骨碳）每个烧杯在要求的反应时间内相互远离，然后用滤纸过滤，分析浮在表面的砷离子。每个实验
8、重复三遍取平均值。所有实验在室温（282C）下进行。为了探讨骨碳吸附砷最初的pH值（213）的作用，实验用砷初浓度为0.5、1.0和1.5毫克每升的溶液与吸附剂量0.6克每升混合接触30分钟。接触时间的效果是探讨砷初浓度为0.5、1.0和1.5毫克每升的溶液与骨碳剂量0.6克；pH值保持在10和接触时间从10分钟到60分钟不等。骨碳剂量的作用是探讨pH值为10，接触时间为30分钟时，砷初浓度为0.5、1.0和1.5毫克每升的溶液与骨碳剂量从0.1克每升到0.8克每升不同用量。3.结果与讨论3.1. pH值的作用为了确定在骨碳上吸附五价砷的最佳pH值，氢离子的浓度对反应的五价砷的作用值得探讨。砷
9、吸附的持续时间保持在30分钟。图1显示对于五价砷初浓度为0.5、1.0、1.5毫克每升最适宜吸附是在pH范围在9到13之间完成。高吸附率被观察在高pH值。吸附后溶液的pH值有些微上升。吸附剂量：0.6克每升；砷初浓度：0.5、1.0、1.5毫克每升；接触时间：30分钟。图1 pH值和骨碳吸附五价砷的关系一个pH值变化的原因可能是离子交换。而在越高pH值吸附效率越高的原因可能是羟氢氧基团的形成及在水溶液中在骨碳表面砷酸氢钙和羟磷灰石发生共沉淀。溶液的pH值决定于五价砷离子浓度的分布。3.2.吸附剂量的效果吸附剂量对五价砷的去除效果在图2中描述了，图中显示五价砷的吸附效率在骨碳剂量从0.1到0.6
10、克每升增加时快速地提高，可以看出在吸附剂量里边际增量更进一步增加。在28C (301K)可以看出0.8毫克每升骨碳的最大去除效率为98.54%。去除效率的提高可能归结为吸附剂量的增加，更大的吸附表面，或者更多的吸附点可利用到溶液的吸附。而当温度从28C (301K) 到 48C (321K)上升，五价砷的吸附效率减少一点。五价砷初浓度：0.5毫克每升；接触时间：30分钟；pH值：10图2 吸附剂量和骨碳吸附五价砷的关系3.3.吸附动力学骨碳对三种浓度的砷吸附接触时间关系在图3中描述了。在这三个初始浓度中，一个较慢的吸附持续20到30分钟，接着一个相对快速的吸附放生在第一个30分钟。在pH值为1
11、0的第一个30分钟，砷初浓度为0.5、1.0、1.5毫克每升分别的五价砷去除率为95.2%、86.74%和83.8%。而在吸附平衡时间上初浓度为0.5毫克每升的五价砷的去除率达到99.18%。吸附剂量：0.6克每升；五价砷初浓度：0.5、1.0、1.5毫克每升；pH值：10图3 骨碳吸附五价砷和接触时间的关系从实验中获得的结果是用来研究吸附过程的吸附速度。吸附速率常数是由以下第一速率方程决定：（1）qe和qt（单位都是毫克每克）分别是在平衡时间和时间t十每单位数量的骨碳吸附五价砷的数量，kad是速率常数。kad的值是由log(qeqt)对t图（图4）的直线斜率计算出来的。吸附速率常量为0.14
12、每分钟，和五价砷的初浓度没关系。吸附剂量：0.6克每升；五价砷初浓度：0.5、1.0、1.5毫克每升；3条直线图相应的修正系数是：0.94、0.95、0.95；pH值：10图4 骨碳吸附五价砷的Lagergren图假设按严格的表面吸附，速率的变化应该是与浓度的第一动力成比例的。然而，当微孔扩散限制吸附过程，初始溶质浓度和吸附速率的关系不会是线性的。此外在吸附剂外表面的吸附在剧烈的反应中也可能把吸附的离子从溶液转移到吸附剂的微孔内。这种可能性被试验并把五价砷被吸附量和时间的平方根的关系描绘成图（图5）。为了显示在吸附过程中粒子内的扩散的存在，在时间t内每单位数量吸附剂吸附五价砷的数量，qt被绘成
13、时间的平方根的函数，t0.5。吸附剂量：0.6克每升；五价砷初浓度：0.5、1.0、1.5毫克每升；pH值：10图5 骨碳吸附五价砷的粒子内转移数量曲线粒子内扩散的速率常数是由这公式获得：qt=Kpt0.5（2）Kp (mgg1min0.5)是粒子内扩散速率常量。粒子内扩散图显示最初的一部分曲线反应膜层或边界层扩散作用，后来的直线部分归结于粒子内扩散作用。Kp值是由每个溶质浓度曲线的直线部分斜率获得。Kp值在五价砷初浓度为0.5、1.0、1.5毫克每升时分别是0.004、0.013和0.022 mgg1min0.5，描述的是离子内扩散是缓慢的和速率控制步骤。这显示吸附是由吸附剂内微孔扩散支配的
14、。曲线的直线部分没有经过原点（图5）。这显示骨碳去除砷酸盐机制是复杂的和表面吸附及粒子内扩散对速率控制步骤的作用。3.4.吸附机制傅立叶转移红外线光谱被认为是一种直接研究砷吸附机制的方法。在pH值为10骨碳吸附五价砷前后的傅立叶转移红外线光谱见图6。由两条光谱线的吸附大约3570cm1可以发现OH和一种典型的氢结合得到羟磷灰石。图6 （1）骨碳的光谱；（2）吸附五价砷后骨碳的光谱另一方面，在pH值为811时一种阴离子HAsO42占大多数。CaOH 附在骨碳上是会和HAsO42结合的阳离子。从吸附后的光谱观察出，在波数为876 cm1有很强的结合，相当于HAsO42的弯曲振动。这里，作为一个结构
15、或晶体，对CaOH，甚至HAsO42不起作用。而在水溶液中砷酸氢钙和羟磷灰石会发生共沉淀是在吸附剂的表面沉淀五价砷的职责，来去除水溶液中的砷。在两光谱从3650到3584cm1的狭窄范围是游离OH。在骨碳吸附砷后，3650cm1的波段移动到3640cm1以及因为在交换反应时CaOH 的OH阴离子和阴离子的交换，结合强度会增加。那为为什么骨碳在吸附五价砷后溶液的pH值比之前稍高提供说明。在pH值为9到13的水环境中，氢氧化钙会产生像CaOH水溶官能团。知道在骨碳上磷灰石成核现象中不止固体官能团，还有水溶官能都有效是有趣的。总之，五价砷的去除是吸附共沉淀和离子交换：吸附：Ca10(PO4)6(OH)2+Ca2+HAsO42Ca10(PO4)6(OH)2Ca (HAsO4)（3）离子交换：Ca10(PO4)6(OH)2+HAsO42Ca10(PO4)6(HAsO4)+2OH（4）4.结论骨碳是一种合适的去除水溶液中五价砷的吸附剂。吸附被发现和pH值、吸附剂量和接触时间
