硫化亚铁微粒的水热法合成及其对水溶液中Cr(Ⅵ)的去除性能

何丹, 刘元元, 肖文燕, 王涛, 张桐. 硫化亚铁微粒的水热法合成及其对水溶液中Cr(Ⅵ)的去除性能[J]. 环境化学, 2023, 42(5): 1690-1696. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021120501
引用本文: 何丹, 刘元元, 肖文燕, 王涛, 张桐. 硫化亚铁微粒的水热法合成及其对水溶液中Cr(Ⅵ)的去除性能[J]. 环境化学, 2023, 42(5): 1690-1696. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021120501
HE Dan, LIU Yuanyuan, XIAO Wenyan, WANG Tao, ZHANG Tong. Hydrothermal synthesis of ferrous sulfide particles and their performance for the removal of Cr(Ⅵ) from aqueous solution[J]. Environmental Chemistry, 2023, 42(5): 1690-1696. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021120501
Citation: HE Dan, LIU Yuanyuan, XIAO Wenyan, WANG Tao, ZHANG Tong. Hydrothermal synthesis of ferrous sulfide particles and their performance for the removal of Cr(Ⅵ) from aqueous solution[J]. Environmental Chemistry, 2023, 42(5): 1690-1696. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021120501

硫化亚铁微粒的水热法合成及其对水溶液中Cr(Ⅵ)的去除性能

    通讯作者: Tel:02365122676,E-mail:Liuyuanyuan@cqu.edu.cn
  • 基金项目:
    国家自然科学基金(51778084)资助.

Hydrothermal synthesis of ferrous sulfide particles and their performance for the removal of Cr(Ⅵ) from aqueous solution

    Corresponding author: LIU Yuanyuan, Liuyuanyuan@cqu.edu.cn
  • Fund Project: the National Natural Science Foundation of China (51778084).
  • 摘要: 借助扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等手段,对水热合成的硫化亚铁(FeS)微粒进行特性表征,探究了水/乙二胺体积比、反应时间、反应温度、S/Fe物质的量比等因素对FeS微粒微观形貌的影响;通过批实验观测了具有不同形貌的FeS微粒对水溶液中Cr(Ⅵ)的去除性能. 结果表明,在S/Fe物质的量比=1—4时,随着S/Fe物质的量比的增大,FeS形貌由片状逐渐转变为棒状;水/乙二胺体积比、反应温度和反应时间对FeS的形貌的影响不显著,均呈片状. FeS微粒可有效去除水溶液中的Cr(Ⅵ),当溶液pH=5.5时,0.5 g·L-1的片状和棒状FeS对初始浓度为170 mg·L-1的水溶液中Cr(Ⅵ)的去除率分别为79.4%和99.9%.
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  • 图 1  FeS微粒的(a) SEM图像、(b) EDS图和(c) XRD谱(纯EN Pure EN,反应温度 Reaction temperature 200 ℃,反应时间Reaction time 4 h)

    Figure 1.  XRD patterns and SEM-EDS images of FeS by (a) SEM analysis,(b) EDS analysis,(c) XRD analysis

    图 2  不同溶剂体积比条件下合成FeS微粒的SEM图

    Figure 2.  SEM images of the FeS synthesized by (a) water/EN =1:1,(b) water/EN =1:2,(c) water/EN =1:3,(d) pure EN

    图 3  不同反应温度条件下合成FeS微粒的SEM图

    Figure 3.  SEM images of FeS under (a) 180 ℃,(b) 190 ℃,(c) 200 ℃

    图 4  不同反应时间条件下合成FeS微粒的SEM图

    Figure 4.  SEM images of FeS under different react time (a) 4 h,(b) 8 h,(c) 24 h

    图 5  不同S/Fe比合成FeS微粒的SEM图

    Figure 5.  SEM images of FeS by (a) S/Fe =1,(b) S/Fe =2,(c) S/Fe =3,(d) S/Fe =4

    图 6  水热合成FeS微粒去除水溶液中Cr(Ⅵ)的性能

    Figure 6.  The removal performance of Cr(Ⅵ) in aqueous solution by hydrothermal synthesized FeS particles

    表 1  人工合成FeS对水溶液中Cr(Ⅵ)的去除性能

    Table 1.  The removal performances of Cr(Ⅵ) in aqueous solution by hydrothermal synthesized FeS particles(pH = 5.5, Cr(Ⅵ)0 = 170 mg·L−1 , FeS投加量 = 0.5 g·L−1, 200 r·min−1

    实验条件
    Experimental conditions
    拟合级数
    Fitting series
    动力学方程
    Kinetic equation
    速率常数k
    Rate constant k
    R2Cr(Ⅵ)去除率/%
    Cr(Ⅵ) removal efficiency
    零级$ \mathrm{C}-{C}_{0}=-kt $3.022 mg·(L· h)−10.5253
    S/Fe=1一级$ \mathrm{l}\mathrm{n}(C/{C}_{0})=-kt $0.0286 h−10.658979.4
    二级$ 1/C-1/{C}_{0}=kt $0.0002 L(mg· h)-1·0.7508
    零级$ C-{C}_{0}=-kt $13.436 mg·(L· h)−10.8007
    S/Fe=3一级$ \mathrm{l}\mathrm{n}(C/{C}_{0})=-kt $0.1765 h−10.935899.9
    二级$ 1/C-1/{C}_{0}=kt $0.0012 L(mg· h)-1·0.9459
    实验条件
    Experimental conditions
    拟合级数
    Fitting series
    动力学方程
    Kinetic equation
    速率常数k
    Rate constant k
    R2Cr(Ⅵ)去除率/%
    Cr(Ⅵ) removal efficiency
    零级$ \mathrm{C}-{C}_{0}=-kt $3.022 mg·(L· h)−10.5253
    S/Fe=1一级$ \mathrm{l}\mathrm{n}(C/{C}_{0})=-kt $0.0286 h−10.658979.4
    二级$ 1/C-1/{C}_{0}=kt $0.0002 L(mg· h)-1·0.7508
    零级$ C-{C}_{0}=-kt $13.436 mg·(L· h)−10.8007
    S/Fe=3一级$ \mathrm{l}\mathrm{n}(C/{C}_{0})=-kt $0.1765 h−10.935899.9
    二级$ 1/C-1/{C}_{0}=kt $0.0012 L(mg· h)-1·0.9459
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-05
  • 录用日期:  2022-03-07
  • 刊出日期:  2023-05-27

硫化亚铁微粒的水热法合成及其对水溶液中Cr(Ⅵ)的去除性能

    通讯作者: Tel:02365122676,E-mail:Liuyuanyuan@cqu.edu.cn
  • 1. 重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆,400044
  • 2. 重庆大学环境与生态学院,重庆,400044
  • 3. 重庆水利电力职业技术学院,重庆,402160
基金项目:
国家自然科学基金(51778084)资助.

摘要: 借助扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等手段,对水热合成的硫化亚铁(FeS)微粒进行特性表征,探究了水/乙二胺体积比、反应时间、反应温度、S/Fe物质的量比等因素对FeS微粒微观形貌的影响;通过批实验观测了具有不同形貌的FeS微粒对水溶液中Cr(Ⅵ)的去除性能. 结果表明,在S/Fe物质的量比=1—4时,随着S/Fe物质的量比的增大,FeS形貌由片状逐渐转变为棒状;水/乙二胺体积比、反应温度和反应时间对FeS的形貌的影响不显著,均呈片状. FeS微粒可有效去除水溶液中的Cr(Ⅵ),当溶液pH=5.5时,0.5 g·L-1的片状和棒状FeS对初始浓度为170 mg·L-1的水溶液中Cr(Ⅵ)的去除率分别为79.4%和99.9%.

English Abstract

  • 硫化亚铁(FeS)常被用于六价铬(Cr(Ⅵ))污染水体的治理修复,主要通过吸附、还原、和共沉淀作用等去除水体中的Cr(Ⅵ). FeS材料的颗粒尺寸、比表面积、形状、存在形态、稳定性等因素对其Cr(Ⅵ)的去除性能有显著影响[1-4]. 与天然FeS矿物相比,人工合成的FeS颗粒具有更大的比表面积和更高的反应活性;采用羧甲基纤维素、海藻酸钠等稳定剂对其进行表面修饰后,可以有效防止颗粒的聚集,使得FeS活性更稳定,对Cr(Ⅵ)的去除性能可得到显著提升[5-7].

    FeS的形貌对Cr(Ⅵ)的去除性能可能产生较大影响. Li等[8]使用合成的梭形FeS颗粒修复铬污染土壤,当FeS/Cr(Ⅵ)物质的量比=1.5:1时,在3 d内可以去除98%的Cr(Ⅵ),Cr(Ⅵ)浓度由1407 mg·kg−1降低至16 mg·kg−1. Liu等[7]采用椭球型纳米FeS处理水溶液Cr(Ⅵ),在pH=5.6时去除性能为683 mg Cr(Ⅵ)/g FeS,去除率高达92.48%;Wang等[9]使用棒状FeS去除水溶液中Cr(Ⅵ),当FeS/Cr(Ⅵ)物质的量比=4时,可在30 min内完全去除水溶液中Cr(Ⅵ).

    利用溶剂热法、均相沉淀法、NaBH4还原法、生物法等方法[8, 10-12]制备的FeS颗粒形貌差异较大. Sines等[13]采用溶剂热法在Fe2+/S2-物质的量比为5:3.12、200 ℃下反应4 h后,合成了FeS纳米片,平均厚度约为30 nm. Li等[8]在氮气保护下将等量的S2-溶液逐滴加入至Fe2+-CMC溶液中制备了梭形的FeS,平均长度为400 nm,中间直径约为100 nm. Kim等[10]采用改性的NaBH4还原法将S2O42-溶液以3:1的体积比加入至Fe3+溶液中合成了球形FeS. Xiong等[14]制备了微球状FeS纳米颗粒,并通过批处理试验表明FeS纳米颗粒可以有效地固定沉积物中的Hg,当FeS/Hg物质的量比为26.5时,Hg浸出浓度降低97%,毒性浸出率降低99%. 程千文[12]利用希瓦氏菌在代谢过程中将Fe3+和S2O32-还原为Fe2+和S2- 后,合成了球状FeS,粒径范围在20—100 nm.

    目前,水热法已被应用于合成形貌多样的硫化物材料,反应时间、反应温度、溶剂、反应物的物质的量比等合成条件会对产物形貌产生显著影响[15]. Gorai等[16]研究表明在乙二胺和水比例在100:0—0:100范围内,随着乙二胺和水的比例减小,趋于球形的铜离子与硫脲的配合物逐渐形成,使Cu1-xSx形貌从树枝状转变为棒状最后成为球状. 用水热法合成Bi2S3微/纳米材料时,当反应时间从10 min延长到6 h时,合成的Bi2S3形貌从纳米带束转变为完整的、均匀的花状结构[17]. Kar和Chaudhuri[17]证实了在反应温度为150—230 ℃范围内,升高温度可使FeS2由纳米线转变为纳米片; Wu等[18]发现,当S/Zn物质的量比分别为1:1、2:1时,ZnS形貌从片状转变为球形. 但是,当前对影响水热法合成FeS颗粒形貌的主要影响因素仍不清楚[19].

    本研究旨在观测识别水热法控制FeS形貌的影响因素,并以水溶液中六价铬Cr(Ⅵ)作为目标污染物,探究不同形貌的FeS对Cr(Ⅵ)的去除性能. 具体包括:(1)分析溶剂比、反应温度、反应时间和铁硫物质的量比等因素对人工合成FeS颗粒形貌的影响;(2)探究具有棒状和片状等形貌的人工合成FeS颗粒对Cr(Ⅵ)的去除性能.

    • 主要试剂:氯化铁(FeCl3·6H2O)、L-半胱氨酸(C3H7NO2S)、乙二胺(EN)、无水乙醇(C2H5OH)、重铬酸钾(K2Cr2O7)、吗啉乙磺酸(MES)、氢氧化钠(NaOH)、丙酮(C3H6O),以上试剂均为分析纯.

      主要仪器:马弗炉(SX2-2.5-10NP,上海一恒科学仪器有限公司)、回旋振荡器(THZ-98C,上海一恒科学仪器有限公司)、冷冻干燥机(SCIENTZ-18N,宁波新芝生物科技有限公司)、台式低速离心机(TD5A,金坛市科析仪器有限公司)、真空干燥箱(DZF-6010,重庆东悦仪器有限公司)、高压反应釜(100 mL,西安常仪仪器设备有限公司)、紫外可见分光光度计(T6,北京普析通用仪器有限公司)、超纯水机(UPT-Ⅱ-10T,成都超纯科技有限公司).

    • 采用Min等[19]报道的FeS微粒的水热合成方法,称取L-半胱氨酸(C3H7NO2S)溶于35 mL乙二胺溶液中,称取氯化铁(FeCl3·6H2O)溶于35 mL乙二胺溶液中,用磁力搅拌混合30 min后移入100 mL聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中,置入马弗炉中加热至180、190、200 ℃,反应 4、8、24 h,而后将高压反应釜从马弗炉中转移出,等待其冷却至室温,将高压反应釜中的混合溶液转移至聚丙烯离心管中,在5000 r·min−1条件下离心10 min后,弃去上清液并向离心管中加入无氧水,振荡离心管使固体重新悬浮后继续离心,洗涤3次后用无水乙醇重复上述步骤3次. 将洗净的FeS固体置入真空干燥箱,于50 ℃干燥8 h后研磨过200目标准筛,充氮气后于4 ℃密封保存.

    • 在250 mL锥形瓶中加入K2Cr2O7溶液,用MES和NaOH 溶液将pH调节至5.5;溶液体积100 mL,Cr(Ⅵ)初始浓度为170 mg·L−1,溶液中投加0.5 g·L−1的FeS;采用氮气吹脱保持无氧条件,密封后置于温度为25 ℃、振荡速率为200 r·min−1的恒温振荡器内持续振荡,每组实验设有两个平行样,待反应一定时间间隔后移取上清液,采用0.45 um滤膜过滤,测定滤液中的Cr(Ⅵ)浓度.

    • 采用《水质 六价铬的测定 二苯碳酰二肼分光光度法》(GB7464—87)测定水溶液中Cr(Ⅵ)浓度. 采用D/max 2500PC X-射线粉末衍射仪(XRD)(日本理学)对样品进行测试,分析衍射图谱. 测试为Cu靶,扫描为连续扫描,扫描范围为 10°—90°,扫描速度为4( °)·min−1,步长为0.02°,管压和管流分别为40.0 kV和150.0 mA;采用JEOL公司的JSM-7800F场发射扫描电镜对样品进行形貌分析.

    • Fe(Ⅲ)被乙二胺还原后生成[Fe(EN)2]2+配合物,该配合物可取代L-半胱氨酸分子中—COOH上的质子,并形成HSCH2(NH2)COO-Fe-(OH)2,其性质不稳定,极易分解形成FeS晶核,晶核逐渐生长为FeS微粒[19-20]. HSCH2CH(NH2)COO-Fe-(OH)2是FeS合成的真实前驱体. 反应方程式见式(1—3):

      图1展示了合成样品的SEM-EDS和XRD谱图. 图1a、b可以看出,在合成的样品中检测到了Fe、S元素,且二者质量比分别为58.5%和41.5%,说明合成样品由Fe、S元素组成. 图1c中,S/Fe物质的量比为1和3合成的样品在2θ=17.64°均出现了尖锐的衍射峰,可以对应FeS(JCPDS 15-0037)在001晶面处的特征衍射峰,由此可进一步确定所合成的物质为FeS晶体,与Sines[13]和Thomas[11]等用水热法合成的FeS的表征结果一致.

    • 图2展示了用不同水/乙二胺(EN)溶剂体积比时合成FeS的SEM图像. 随着乙二胺(EN)比例的增大,合成的FeS颗粒形主要呈现片状,部分镶嵌组合在一起. 当水/EN=1:1和1:2时,单个片状紧密聚集并形成分层结构,厚度约为1—3 μm;水/EN=1:3时,FeS转变为片状镶嵌的形貌,厚度减小,均小于1 μm;当溶剂为纯EN时合成的FeS呈现分散的薄片,大小不均匀,而且分散度更大. 片状FeS是L-半胱氨酸分解后释放H2S气体促使球状FeS分裂而成[21-22]. 在FeS晶核生长过程中由于乙二胺吸附在晶体表面,晶体的团聚会被阻止[20]. 随着乙二胺浓度的增大,乙二胺对Fe元素的络合能力逐渐加强,通过双齿双核络合成键作用使FeS晶体片相互聚集. 但是,过量乙二胺的存在会使络合成键方式由双齿双核转变为双齿单核,FeS晶体片又恢复到了分散的状态[16, 23].

    • L-半胱氨酸的分解温度小于400 ℃[24],由图3可知,当温度为180 ℃时,FeS呈现一些不定形的碎片;当温度为190 ℃和200 ℃时,FeS微粒的均一性更好,主要呈现为片状;当反应温度为180 ℃时,L-半胱氨酸未能完全分解,在乙二胺中的溶解度不高,参与反应的S离子数量不足,无法完全还原Fe(Ⅲ),因此FeS的纯度不高;当温度升高到200 ℃时,出现了多边形薄片,边界也更加明显,薄片厚度约<1 μm,说明升高温度有利于晶体生长,同时边界的明显化也有助于活性位点的充分暴露[25]. 但温度过高也不利于FeS微粒的形貌的均一性[20],温度高于200 ℃后,溶于乙二胺的L-半胱氨酸由于相转变发生过度分解,此时溶液从均质状态转变为非均质状态,L-半胱氨酸存在浓度梯度,导致FeS晶体以不同速率生长,从而使FeS微粒呈现不规则的形貌. 因此,200 ℃条件更有利于水热合成FeS微粒的形貌保持均一性.

    • 图4可知,反应4 h后FeS微粒生长为花形的片状镶嵌结构;随着反应时间的延长,薄片继续生长,反应8 h时FeS晶体生长为薄片更大、更加松散的花状镶嵌结构. 图3(c)表明,反应24 h后FeS晶体薄片结构更大,原本镶嵌的薄片结构散开,呈现出独立的片状结构. 这一过程可由晶体生长理论来解释[22]:反应初期,FeS晶核会聚集为球形以降低表面能,而L-半胱氨酸在高温下分解释放H2S气体促使球状FeS分裂成片状FeS,随着反应时间的延长,片状FeS不断长大、拉伸,自发形成更大的薄片. Wu[19]通过水热法用乙酸锌和L-半胱氨酸合成ZnS的研究发现当反应时间为4 h时,产物由40 nm的纳米ZnS和平均粒径为400 nm的球形ZnS组成;随着反应时间延长至10 h,产物转变为平均粒径为420 nm的球形ZnS;进一步延长时间至24 h,ZnS形貌没有发生变化,粒径不断增大,约为570 nm. 因此,随着反应时间的延长,合成产物会自发生长、尺寸持续增大.

    • 图5展示了S/Fe物质的量比对FeS微粒表观形貌的影响. 随着S投加量的增大,FeS微粒形貌由片状逐步变为棒状. 当S/Fe=1时,FeS微粒的形貌呈现花状和片状;当S/Fe=2时,出现了多种形貌的FeS微粒,主要由少量的棒状和球状颗粒构成;当S/Fe=3和S/Fe=4时,FeS微粒形貌均为棒状;但是S/Fe=4时棒条更平整,粗细也更加均匀,直径大致在300—500 nm之间. 可以表明,采用水热法合成FeS微粒时S/Fe物质的量比对产物的形貌影响较大,增大S源的浓度有利于FeS由片状向棒状转变. 这与Zhang等[26]用水热法合成Bi2S3的研究发现保持一致,其在以水为溶剂、温度150 ℃时将L-半胱氨酸含量从0.15 g增大到0.35 g,固体颗粒形貌从纳米薄片转变为纳米棒. 同时,乙二胺是一种具有较强极性和螯合能力的表面活性剂,可以控制FeS不同晶面的生长速率[11,20],由图1可知,本研究合成的FeS晶体微粒具有沿着[001]方向优先生长的取向,使FeS定向生长为棒状[23].从而,通过控制S/Fe物质的量比,采用水热法可合成具有不同形貌的FeS微粒,同时在水热合成过程中提高反应物的投加量,可抑制产物的继续生长,有效的控制晶体形貌[19].

    • 为了研究FeS形貌对Cr(Ⅵ)的去除性能的影响,分别选取S/Fe=1、S/Fe=3代表片状和棒状两种典型形貌的FeS微粒进行水溶液中Cr(Ⅵ)去除试验. 图6展示了水溶液中Cr(Ⅵ)的去除动力学,反应180 h后,S/Fe=3条件下合成的FeS微粒对Cr(Ⅵ)去除率可达到99.9%,Cr(Ⅵ)的浓度接近0 mg L-1;S/Fe=1条件下合成的FeS微粒对Cr(Ⅵ)去除率为79.4%,Cr(Ⅵ)的浓度为35 mg·L−1. 因此,S/Fe=1和S/Fe=3时合成的FeS微粒对Cr(Ⅵ)的去除率存在显著性差异.

      表1可知,S/Fe=1和S/Fe=3条件下合成的FeS对Cr(Ⅵ)的去除过程较好地符合拟二级反应动力学,反应速率常数分别是0.0002 L·(mg·h)−1、0.0012 L·(mg·h)−1. 因此,当溶液pH=5.5时,S/Fe=3条件下Cr(Ⅵ)的去除率和去除速率常数均大于S/Fe=1条件.

      随着S/Fe物质的量比从1增大至3,合成的FeS与Cr(Ⅵ)的反应速率增大,主要是由于L-半胱氨酸提供S源的同时也提高了反应物的浓度,从而提高了FeS微粒对Cr(Ⅵ)的去除速率[16]. 同时,由于棒状FeS微粒具有更大的比表面积,可提供更大的接触面积和更多的活性位点[9],从而可使反应快速进行.

    • (1)利用水热法合成FeS微粒分别具有棒状和片状等两种典型形貌.

      (2)水/乙二胺体积比、反应温度、反应时间对水热合成FeS微粒形貌的影响不显著,均为片状;S/Fe物质的量比对FeS矿物形貌具有显著影响,随着S/Fe物质的量比的增大,FeS的颗粒从片状转变为棒状. 当S/Fe =3和S/Fe =4时,FeS颗粒均呈棒状,粒径可达200—300 nm.

      (3)具有棒状的水热合成FeS微粒对水溶液中Cr(Ⅵ)去除率更高. 棒状FeS微粒在180 h内可去除水溶液中99.9%的Cr(Ⅵ),而片状FeS微粒对Cr(Ⅵ)的去除率仅为79.4%.

    参考文献 (26)

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