基于XPS对硫铁矿去除的机理研究

刘宏芳，王 瑞，连夏雨，霍丽娟，马 骏

太原科技大学环境与安全学院，山西 太原 030024

引 言

1 实验部分

1.1 材料试剂

无水乙醇(C2H5OH )分析纯、亚硒酸钠(Na2SeO3)光谱纯、氢氧化钠(NaOH)分析纯、氯化氢(HCl)分析纯均采购自国药控股有限公司；硫铁矿采购自广西省桂林市。所有试剂使用超纯去离子水进行配制。

1.2 仪器

CPA225D型电子分析天平，德国赛多利斯公司；SHA-B恒温振荡器,上海精密科技仪器公司；HITACHI CF16RXII高速离心机，日本日立公司；QM-3SP04行星式球磨机，南京大学仪器厂；PHS-25型pH计，上海精密科技仪器公司；Optima 7300等离子发射光谱仪(ICP-OES)，美国铂金埃尔默股份有限公司；X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)，美国布鲁克麦迪逊股份有限公司；X射线光电子能谱仪(XPS)，美国赛默飞世尔科技有限公司。

1.3 样品制备与表征

首先用浓度0.1 mol·L-1盐酸浸泡清洗已人工破碎的硫铁矿，然后用去离子水冲洗晾干，称取适量转移至球磨机再加入等量乙醇，设定球磨机转速为450 r·min-1，在氮气保护下连续球磨24 h。制备好的样品置于厌氧培养箱中保存备用。

用S-4800型冷场发射扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)观测硫铁矿的形貌特性和粒径大小，测试条件为电压10 000 V，二次电子分辨率1.4 nm。利用Bruker D8 Advance 型X射线衍射仪分析样品晶体结构，分析条件为步宽 0.010°，时间600 s，衍射角2θ范围10°～60°。利用X射线光电子能谱仪分析实验前后硫铁矿样品表面元素及其化学形态。

1.4 方法

取25.0 g硫铁矿和浓度为20.0 mg·L-1亚硒酸钠溶液(固液比1∶5)于棕色反应容器内，用1 mol·L-1的HCl和NaOH调节混合液pH值分别为2.2，4.6，6.6，7.8，11.5，密封后置于转数为200 r·min-1的振动器上充分振荡反应，按照预先设定的时间间隔取样，离心分离后用ICP-OES测定上清液中Se(Ⅳ)的含量，用XPS分析反应前后硫铁矿颗粒的表面元素。

2 结果与讨论

2.1 形貌特性分析

图1是利用球磨法制备的硫铁矿样品SEM图。图1中硫铁矿为粒径大小较均匀的球形颗粒团聚体,粒径范围17～200 nm，平均粒径138 nm。与低转数条件下制备的硫铁矿相比，颗粒表面晶粒进一步细化，颗粒大小明显减小，均匀度和比表面积显著提高，反应活性也更高。图2为用X射线衍射仪对硫铁矿样品颗粒的晶相结构进行进一步分析的XRD图谱。与干法球磨制备的样品相比，该法制备的硫铁矿样品的衍射峰有明显宽化和整体衍射角增大，这是样品晶粒细化，晶体粒径减小的缘故。

图1 硫铁矿颗粒SEM图Fig.1 The SEM image of pyrite particles

图2 硫铁矿颗粒XRD图谱Fig.2 The XRD pattern of pyrite particles

2.2 批实验研究

图3 不同pH值下Se(Ⅳ)随时间去除曲线Fig.3 The removal curves of Se(Ⅳ) with timeat different pH

图4 Fe(2p)XPS图谱(a)：pH2.2；(b)：pH4.6；(c)：pH6.6：(d)：pH7.8；(e)：pH11.5Fig.4 XPS spectra of Fe(2p)(a)：pH2.2；(b)：pH4.6；(c)：pH6.6：(d)：pH7.8；(e)：pH11.5

图5 pH 11.5时S(2p)XPS图谱(a)：反应前；(b)：反应后Fig.5 XPS spectra of S(2p) at pH 11.5(a)：Before reaction；(b)：After reaction

图6(a—d)分别为4种不同pH值时利用退卷积分法对Se(3d)与Fe(3d)进行分峰处理后得到硒元素XPS图谱。图中Se(3d)分峰处理后得到两个特征峰，结合能分别位于162.5和163.9 eV，对应Se(0)和Se(Ⅳ)两种形态。从图中可以发现，随着pH值的升高，硫铁矿表面生成的Se(0)逐渐减少，而Se(Ⅳ)呈现逐渐增加趋势。

图6 不同pH值下Se(3d)XPS图谱(a)：pH2.2；(b)：pH4.6；(c)：pH6.6；(d)：pH11.5Fig.6 XPS spectra of Se(3d) at different pH conditions(a)：pH2.2；(b)：pH4.6；(c)：pH6.6；(d)：pH11.5

图7 硫铁矿去除Se(Ⅳ)的概念模型(a)：酸性环境；(b)：碱性环境Fig.7 Conceptual model for Se(Ⅳ) removal with pyrite particles(a)：At acid condition；(b)：At alkaline condition

2Fe2++7Se(↓)+5H2O

(1)

ΔG0=-522.03 kJ·mol-1

4Fe(OH3)(↓)+15Se(↓)+H2O

(2)

ΔG0=-57.11 kJ·mol-1

3 结 论