当前世界环境

介绍

砷化合物是环境中常见的污染物。因为砷的毒性和诱发癌的因素(Eblin等，2006;Hughes.，2002)，环境中较高的砷浓度对人类健康造成了严重的问题，特别是对孟加拉国、西孟加拉邦、越南、中国、墨西哥和智利的人口。世卫组织对这些国家水中砷浓度升高的危险作了说明，它估计饮用水中砷浓度的建议上限为10 μg/受砷污染的饮用水可对人类健康造成不利影响。砷在RNA和DNA合成中发挥着重要作用，从而导致癌症。据报道，由于砷化合物，出现了越来越多的异常儿童、出生体重低、畸形儿童和死亡婴儿(Jain et al, 2000;kip et al ., 1997;Ng et al ., 2001;Bissen et al ., 2003;彭罗斯et al ., 2009; Ng et al.,2003; Burkel et al.,1999; Smedley et al.,2002). The conventional technologies for arsenic removal from waters are based on processes of coagulation, sorption, ion-exchange reactions or methods of reverse osmosis. Materials used in these processes are Fe⁰， Fe (III)氧化物，Mn (II)， Al(III)，磷灰石，硅酸盐砂，碳酸盐，硫化物，以及各种类型的煤(Chmielewská et Al .，2008;道et al ., 2004;德马科et al ., 2003;希勒et al ., 2007;林et al ., 2001;佐藤et al ., 2002;歌et al ., 2006)。目前，在实验室或中等规模的实验中，也有一种趋势是使用替代的低成本材料从水中去除砷。许多作者评价并证明了化学改性或天然生物质在除砷过程中的有效性(Abdel-Ghani et al.，2007;Boddu et al ., 2008; Cernan sky et al.,2007; Loukidou et al.,2003; Malakootian et al.,2009; Murugesan et al.,2006; Rahaman et al.,2008; Seki et al.,2005).Calcium hydroxyapatite (HAp), Ca₁₀(PO₄)₆(哦)₂，也被用于从受污染的土壤、废水和飞灰中去除重金属(Omar etal .，2003;竹内et al ., 1990)。钙羟基磷灰石(Ca-HAp)是硬组织的主要成分，在工业和医疗领域一直很有兴趣。它的合成颗粒在生物陶瓷、分离蛋白质和酶的色谱吸附剂、醇脱水和脱氢的催化剂、甲烷氧化和用于人工牙齿和骨骼膏状杀菌剂的粉末中有许多应用(Elliott et al.，1994)。这些性质与HAp的各种表面特性有关，如表面官能团、酸性和碱性、表面电荷、亲水性和孔隙度。已经发现Ca-HAP表面与P-OH基团作为吸附位点(Tanaka et al.， 2005)。羟基磷灰石的吸附性能对环境工艺和工业应用都具有重要意义。羟基磷灰石由于其对锕系元素和重金属的高吸附能力、低水溶性、在还原和氧化条件下的高稳定性、可用性和低成本，是一种理想的污染物长期封存材料(Krestou etal .，2004)。HAP已被许多研究人员用于稳定多种金属(如Cr, Co, Cu, Cd, Zn, Ni, Pu, Pb, As, Sb, U, V) (Omar etal .，2003;拉梅什et al ., 2012; Vega et al.,1999). They have reported the sorption is taking place throughionic exchange reaction, surface complex with phosphate, calcium and hydroxyl groups and/or co-precipitation of new partiallysoluble phases. In this study, the effect of Hap nanoparticl eson removal efficiency of arsenic ions in different conditions investigated.

材料和方法

羟基磷灰石纳米颗粒已制备(蒙塔泽里和比亚扎尔)。， 2011)，并以使用不同的分析为特征。通过加入HNO将溶液的pH值大致调整为2 ~ 12_3.和Na OH。然后精确地记录溶液的pH值。将不同浓度的羟基磷灰石纳米颗粒添加到每个烧瓶中，并立即安全盖上。然后手动搅动悬浮液。记录上清液的pH值。金属盐(HAsNA₂O₄. h₂O） 制备了金属离子（As（V））溶液。通过在50 mL不同浓度和pH值的金属离子溶液中摇动一系列含有不同量H Ap nano的瓶子进行吸附研究。悬浮液暴露于超声波（50 W，20 min）中，以分散纳米颗粒。将样品在室温下以250 rpm搅拌1 h（平衡时间），然后离心5 min，并通过原子吸收光谱仪（S系列，热电科学；美国）。

结果和讨论

pH值的影响

pH值是决定水介质中金属物种形态的一个重要因素。它影响金属离子的吸附过程，因为它决定了离子电荷的大小和符号(Gupta etal .，2005)。在pH为2 ~ 12,As(V)浓度为0/6g/L的条件下，考察了溶液pH对不同浓度hap - nano对水溶液中As(V)离子吸附的影响。结果如图1所示。在酸性介质中，HAp的吸附量随ph的增加而增加。但在碱性条件下，去除率基本不变。pH对hap纳米吸附砷酸盐的影响表明，在本实验条件下，静电吸附不是砷酸盐吸附的主要机制;吸附剂的溶解会导致吸附剂质量的降低和磷酸盐浓度的增加，两者都能抑制砷酸盐的吸附。降低pH有利于HAp-nano的溶解，从而抑制砷酸盐的吸附(Sneddon et al.，2005;Valsami-Jones et al ., 1998; Mohan et al.,2007).

砷浓度的影响

为了研究溶液砷酸盐量对不同浓度的HAP Nano从水溶液中吸附As（V）离子的影响，在pH:8的范围内（0/1,0/2,0/4,0/6g/L）研究了结果如图2所示。砷酸盐吸收增加发生在增加砷酸盐。在纳米羟基磷灰石中研究的砷酸盐吸附，即水中不同浓度的砷酸盐，显示出近似的增加，因此，这些不同量的砷酸盐的吸收水平是显著的。

接触时间影响

通过改变吸附质和吸附剂在5-120 min内的接触时间来测定As(V)吸附的时间依赖性行为。不同接触时间下As(V)的吸附百分比如图3所示。从图3,它可以观察到的去除速度(V)离子高在初始阶段,由于表面的可用性更积极的网站哈,成为慢接触时间的后期,由于减少或小的活性中心的数量和Karrupasamy Kannan(1998)。从图3可以明显看出，直到1h，水溶液中As(V)的去除率迅速增加，达到85%。进一步增加接触时间对去除率的影响可以忽略不计。因此，1 h的振荡时间被认为是最大吸附的平衡时间。随着时间的推移，As(V)的去除率降低，也可能是由于As(V)在HA粒子周围聚集所致。随着吸附位点被填满，这种聚集可能会阻碍吸附质的迁移，同时吸附剂中as (V)分子的扩散阻力增大(Mittal et al. 2010)。

吸附剂质量对As（V）去除的影响

通过改变HA用量分析HA用量对As(V)去除的影响，结果如图4所示。结果表明，随着HA投加量的增加，其去除率增加。由此可见，As(V)的瞬时吸附量和平衡吸附量是HA用量的函数

吸附等温线

吸附等温线由吸附等温线描述，吸附等温线的特征是某些常数，这些常数的值表示吸附剂的表面性质和亲和度。吸附平衡是在吸附剂界面与本体溶液的浓度处于动态平衡时建立的(Oladoja et al.，2008)。吸附等温线的研究是在Langmuir Langmuir.，1915)等著名等温线上进行的。

b是随着分子尺寸的增大而增大的常数，q_马克斯为被吸附在表面形成完整单层的量(mg/g)， X为被吸附物质量(mg)， M为吸附剂质量(g)， Ce为溶液中剩余浓度(mg/L)。Langmuir等温线的本质特征可以用平衡参数RL来表示，RL是一个被称为分离因子或平衡参数的无量纲常数(Weber and Chakkravorti, 1974)。

RL的值表示等温线的类型为:不利(RL[1])、线性(RL = 1)、有利(0\RL\1)或不可逆(RL = 0)。Freundlich等温线表示为(Freundlich, 1906)。

其中Kf和n是随温度变化的常数。hap纳米吸附As (V)的等温线如图5和6所示。图5和图6表明，Freundlich等温线有利于hap纳米对As (V)的吸附。R值也表明Langmuir等温线是有利的。结果表明，Freundlich等温线是最适合的langmuir等温线。将HAp-nano对As (V)的吸附能力与其他吸附剂进行了比较(表3)。本文发现HAp-nano对As (V)的吸附值明显高于其他吸附剂。

三种反应可以控制hap -纳米固定化As(V):表面吸附、阳离子取代或沉淀。第一种机理是HAp-nano表面吸附As(V)离子，随后吸附的As(V)离子与HAp-nano表面的Ca离子发生离子交换反应(Suzuki et al.，1984)。这种离子交换反应机理(Ma et al.，1994)表示为:

结果表明，在缺乏其他金属的情况下，hap纳米材料的溶解和羟基焦脱石(HP)的沉淀是hap纳米材料固定As(V)的主要机制。这些化学反应可以描述如下:

吸附机理的信息已经由hap - nano结合的阳离子与从hap - nano中解吸的Ca的摩尔比(Qs)值推断出来(Aklil et al.，2004)。图7展示了钙浓度对hap纳米除砷的影响。对于所有测试的吸附剂，增加钙水平似乎有助于砷酸盐的吸附。当钙浓度从0 mM增加到2.5 mM时，hap纳米对砷酸盐的去除率从2.4%提高到5.4%。钙对砷酸盐在hap - nano上吸附的影响主要有两个原因。首先，根据水中钙离子浓度的增加可以抑制hap -纳米，从而抑制砷酸盐对吸附剂的吸附。第二,Ca^2＋在水中可以与hap -纳米表面上的磷酸盐络合，导致吸附位点增加，进而增加砷酸盐吸附(Czerniczyniec et al.，2007;却把et al ., 2005)。HAp-nano纳米颗粒吸附As(V)的SEM图像如图8所示。

结论

结果表明，羟基磷灰石纳米颗粒(HAp-nano)是一种去除水溶液中砷(V)的强吸附剂。HAp-nano对As(V)的最佳去除率为0.2 g/L，去除率为88%。Freundlich等温线比Langmuir等温线更适合实验数据。hap - nano对As(V)的吸附能力为526 mg/ hap - nano的溶解和羟基自生石的沉淀是hap - nano固定化As(V)的主要机制。

承认

作者感谢伊朗纳米技术计划委员会的财政援助。

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