不同氧化度水钠锰矿氧化as(ⅲ)和cr(ⅲ)动力学特性

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1、不同氧化度水钠锰矿氧化As(III)和Cr(nI)的动力学特性摘要土壤氧化锰矿物是动植物锰素的重要来源，是土壤中的重要吸附载体、氧化还原主体、化学反应催化剂及环境信息载体，其资源属性和环境属性日益受到人们的关注。Cr和As是自然界中对人类健康影响较大的有毒元素，如何有效地去除铬和砷污染或减轻其毒害倍受人们的关注。氧化锰矿物对Cr和As等变价元素的氧化是影响其土壤环境行为的重要过程。本文合成了不同氧化度的碱性水钠锰矿，应用X．射线衍射仪(XRD)、扫描电镜仪、X射线光电子能谱(XPS)等分析方法，较系统地研究了它们对Cr(III)和As(III)的动力学氧

2、化特性。取得的主要结果有：1．不同氧化度碱性水钠锰矿的合成与表征。X．射线衍射(XgD)图谱分析表明合成的三种不同氧化度的碱性水钠锰矿具有较好的特征衍射峰，没有其它杂质峰，表明它们为单相碱性水钠锰矿。按其氧化度高低分别命名为Bir-OHl，氧化度4．02；Bir-OH2，氧化度3．85；Bir-OH3，氧化度3．70。其中试样Bit-OHl的化学组成为Ko．04Nao．02Mn02．04(H20)1．22，比表面积为76．14In2·g～，电镜显示其表面形貌为很细小的片状结构，团聚现象不很明显；试样Bir-OH2的化学组成为Ko．02Nao．ozMn01

3、．95(H20)1．1l，比表面积为81．63m2·g～，电镜显示其表面形貌为较小的片状结构，团聚现象明显；试样Bir-OH3的化学组成为Ko．02Nao．02Mn01．87(H20)1．04，比表面积为79．38In2·g一，电镜显示其表面形貌为较大的片状结构，团聚现象很明显，团聚成颗粒状。2．不同氧化度碱性水钠锰矿的PZC测定。由于碱性水钠锰矿，尤其是低氧化度碱性水钠锰矿在酸性介质下不稳定，用常规方法难以测定其准确的电荷零点(PZC)。实验中用常规盐滴定法(ST)和快速滴定法(FI订)测定碱性水钠锰矿的零点电位(ezc)，粗略得到PZC的范围为1．2

4、。为了克服以上问题，用改进ST法在较高pH下测定了不同氧化度碱性水钠锰矿PZC的相对大小，即PZC随氧化度增加而。通过对曲线反向延长或理论计算可望得到其准确PZC数值。3．碱性水钠锰矿氧化As(III)和Cr(III)的动力学描述。实验条件下，碱性水钠锰矿氧化As(III)和Cr(III)的初始阶段反应均符合对As(III)和Cr(III)的假一级动力学。氧化As(m)表观反应速率常数‰的大d,Jl顶序为：Bir-OHl(0．0951minJ)>Bir-OH2(0．0396min。1)>Bir-OH3(0．0071min。)。氧化Cr(IID表观反应速率

5、常数K舾的大小顺华中农业大学2009届硕士学位论文序为：Bir-OHl(O．0342min-1)>Bir-OH2(0．0178min“)>Bir-OH3(0．0148min以)。碱性水钠锰矿氧化Cr(III)和As(111)的初始阶段反应速率常数kbs均随氧化度增大而增大。这反映锰矿物中的Mn(IV)与Mn(III)具有不同的氧化动力学特征，碱性水钠锰矿的氧化度，即Mn(III)与Mn(IV)比例，是影响其反应动力学的重要因素。4．碱性水钠锰矿氧化As(III)和Cr(III)的动力学过程比较。XPS分析表明，随着反应的进行，碱性水钠锰矿表面Mn(II)

6、的含量逐渐增加，Mn(IV)的量逐渐减少，这与Cr(III)和As(111)在碱性水钠锰矿表面氧化反应过程相吻合。不同氧化度碱性水钠锰矿氧化As(III)的初始反应阶段均未检测到Mn(II)的释放，除Bir-OH3在反应后期(约3h之后)有显著的Mn(II)释放外，氧化度较高的Bir-OHl和Bir-OH2氧化As(III)的整个过程中几乎不释放Mn(II)，生成的Mn(II)吸附在矿物表面形成沉淀，阻止反应顺利进行。然而，氧化Cr(III)的初始反应阶段，Mn(II)的释放明显滞后于Cr(VI)的释放；随着反应的进行，Mn(II)的释放量逐渐增加，与C

7、r(VI)的释放量比值接近反应理论计量比。不同氧化度碱性水锰矿氧化As(III)反应起始阶段遵循一级动力学方程，随反应进行，速率常数逐渐减小，最后接近于零，这可能与逆反应和产物Mn(II)在表面不断形成沉淀有关。而氧化Cr(III)的过程中，高氧化度矿物一直遵循一级方程，低氧化度矿物开始遵循一级方程，受逆反应和表面副反应的影响速率常数逐渐减小，但减少速率比As(III)氧化要小。故Cr(III)和As(III)在碱性水钠锰矿表面氧化具有不同的反应动力学过程，有待进一步探讨。5．不同氧化度水钠锰矿与水锰矿氧化As(III)／Cr(III)动力学比较。只含M

8、n(III)且具有隧道结构的的水锰矿“．MnOOH)氧化As(III)的过程遵循