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不同结构氧化锰矿物氧化硫化物动力学特点及影响因素

李倩

   氧化锰矿物是土壤中重要组分之一,具有良好的吸附、氧化和催化等特性,其环境属性备受关注。高浓度硫化物以其毒性、腐蚀性和臭味等,直接危害人体健康,因而硫化物在环境中的化学行为及归趋日益引起人们重视。氧化锰矿物与硫化物氧化还原反应过程的研究可为阐明硫化物和锰氧化物在土壤中的迁移、转化规律提供基础数据,增强对环境中锰氧化物与硫化物环境化学行为的理论认识。 氧化锰矿物种类繁多,不同结构类型矿物表现出不同的氧化还原特性,本文实验室合成了四种不同结构的氧化锰矿物:碱性水钠锰矿(Bir-OH).酸性水钠锰矿(Bir-H)、锰钾矿(CRY)以及钙锰矿(TOD),应用X-射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、离子色谱(IC)和分光光度计等分析方法,较为系统地考察了模拟环境中氧化锰矿物对S2-的氧化机理和动力学特性,探讨了矿物结构、矿物用量、pH值和环境温度等条件对硫化物氧化过程及速率的影响,主要结论如下: 1.不同氧化锰矿物氧化S2-的固相还原产物主要为Mn(OH)2或MnOOH。X-射线衍射(XRD)图谱分析表明碱性水钠锰矿、酸性水钠锰矿、锰钾矿的初始还原产物主要为Mn(OH)2,且Mn(OH)2在空气中易氧化生成Mn3O4;而钙锰矿初始还原产物包含Mn(OH)2和MnOOH,且反应时间延长产物以MnOOH为主,少量的Mn(OH)2在空气中转化生成Mn3O4。锰氧化物还原产物的不同与矿物结构的化学稳定性相关,钙锰矿较为稳定,因而有低价态MnOOH生成。 2.液相中S2-被氧化锰矿物氧化的产物有S、SO32-、S2O32-和SO42-,而主要存在形态为单质S。反应初期S2-转化为SO32-、SO42-和S2O32-的百分率较小,Bir-OH、Bir-H、CRY和TOD体系中三种离子总的含量百分率最大值依次为14.53%、15.45%、13.36%和25.25%,因而,可以认为S单质为主要产物。随反应时间延长至1-2周,S单质继续被氧化生成SO32-.SO42-和S2O32-,因SO32-不稳定,S2-最终以S、S2O32-和SO42-三种产物形式存在,且S单质仍为氧化产物的主要形式。 3.碱性水钠锰矿、酸性水钠锰矿、锰钾矿及钙锰矿氧化S2-初始阶段反应均符合准一级动力学。不同条件下锰矿物氧化能力基本表现为:酸性水钠锰矿>钙锰矿>锰钾矿>碱性水钠锰矿。氧化锰矿物中Mn(Ⅲ)含量及与可溶性硫化物接触的活性Mn(Ⅲ)量是决定其氧化能力的关键因素。在室温条件下(20℃),S2-浓度为200 mg/L的硫化钠溶液pH(12),投加矿物量充足(0.1g),氧化S2-的表观反应速率常数Kobs的大小顺序为:Bir-H (0.4627 min-1)> TOD (0.3731 min-1)> CRY (0.2203 min-1)> Bir-OH (0.1888 min-1)。 4.溶液体系温度、pH值和矿物用量等对氧化锰矿物氧化S2-的速率有一定影响。增加矿物用量均能提高反应速率。升高反应温度对四种矿物作用不一,酸性水钠锰矿及锰钾矿体系中,反应温度从20℃升至30℃时,反应速率无显著变化,温度升高至40℃,反应速率增加明显;钙锰矿随温度升高氧化反应速率加快;反应体系温度升高,碱性水钠锰矿氧化S2-速率明显加快,30℃时,反应速率甚至超过锰钾矿。碱性范围内调节溶液pH值对酸性水钠锰矿、碱性水钠锰矿及锰钾矿氧化S2-的速率影响较小,一般随pH值降低略有升高,而反应溶液的pH值调节为10时,钙锰矿的反应速率出现最大值。总体而言,酸性水钠锰矿与钙锰矿氧化S2-的速率大于锰钾矿与碱性水钠锰矿……   
[关键词]:氧化锰矿物;硫化物;氧化反应;动力学;环境化学
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:华中农业大学2010年