微污染飲用水源中砷及幾種重金屬離子的吸附分離過程研究.pdf

1、本文在科技部小城鎮(zhèn)科技發(fā)展重大項目(2003BA808A17)支持下，根據(jù)國際上重金屬微污染水體修復技術(shù)的發(fā)展趨勢，針對重金屬微污染水源水體特征，并在對上海水源地水體重金屬污染背景調(diào)查的基礎(chǔ)上，提出了三種有效修復技術(shù)方案：弱堿性陰離子交換樹脂修復技術(shù)，鐵、錳礦物修復技術(shù)及新型負載吸附劑修復技術(shù)。利用紅外光譜、掃描電鏡、X-射線衍射等現(xiàn)代分析測試于段對自主合成的幾種新型吸附劑進行了分析表征，并通過影響因素分析、吸附等溫試驗和吸

2、附動力學試驗等詳細探討了三種修復技術(shù)的適用條件和微觀作用機理。論文可以為重金屬微污染水源水體的修復、突發(fā)性重金屬污染事故的應(yīng)急處理等提供理論指導和實際技術(shù)支持。論文主要分為四個部分。(Ⅰ)微污染水體沉積物中重金屬及砷的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究；(Ⅱ)弱堿性陰離子交換樹脂對微污染水源中重金屬及砷的分離過程研究；(Ⅲ)鐵錳氧化物吸附劑分離水體中重金屬及砷的研究；(Ⅳ)負載吸附劑去除水體中重金屬及砷的研究。第一部分：首先對上海水源地(

3、包括上覆水和沉積物)中重金屬作了背景調(diào)查，并利用BCR順序提取法測定分析了上海水源地沉積物中Cr，Cu、Pb、Zn、Cd、Co、Ni六種元素的形態(tài)分布特征。結(jié)果表明：①上覆水中上述重金屬含量未超過生活飲用水水質(zhì)標準，符合地表水Ⅱ類水質(zhì)標準。②沉積物中上述重金屬總量分析表明：排污口及鄰近地區(qū)重金屬污染相對嚴重；港口地區(qū)重金屬污染嚴重；河流下游比上游污染嚴重。③沉積物重金屬形態(tài)分析表明：黃浦江水從上游淀峰流往下游吳淞口處的過程中

4、，沿途受到重金屬的污染，并且增加的重金屬多以環(huán)境不穩(wěn)定的形態(tài)(如酸溶態(tài)和可還原態(tài))存在，它們在水體環(huán)境發(fā)生變化時，就有可能溶解、置換而釋放入水體，給環(huán)境造成不可忽視的威脅。隨后以黃浦江沉積物為研究對象，研究了黃浦江沉積物對重金屬吸附動力學及黃浦江沉積物砷釋放的規(guī)律。結(jié)果表明：①黃浦江沉積物對重金屬Cd，Pb，Cu，Zn及As(Ⅴ)都具有較強的吸附能力，對重金屬優(yōu)先選擇吸附的順序為：Pb>Cu>Zn≈Cd>As(Ⅴ)；黃浦江沉

5、積物與As(Ⅴ)的結(jié)合強度隨時間延長而不斷增大，并且黃浦江沉積物對As(Ⅴ)吸附表面的非均相程度非常高。②擾動、溫度升高有利于As(Ⅴ)的釋放;As(Ⅴ)的釋放隨pH的變化呈現(xiàn)“Ⅴ”字形，pH增大和降低都有利于As(Ⅴ)的釋放，在pH 5附近，As(Ⅴ)釋放量最低：PO43-和HCO3-對As(Ⅴ)的釋放影響極為明顯，As(Ⅴ)釋放量隨溶液中PO43-和HCO3-濃度的增大而增大。第二部分：通過苯乙烯、丙烯酸和環(huán)氧樹脂類的

6、對比篩選，選擇了弱堿性環(huán)氧樹脂331，分別系統(tǒng)研究了該樹脂對Cu2+，Cd2+及Cr(Ⅴ)的去除效果及動力學吸附行為。同時，通過模擬實際受污染水體，探討了在Cu2+、Cd2+、Cr(Ⅵ)共存的體系中，弱堿性陰離子樹脂331去除重金屬的作用規(guī)律及相關(guān)的機理。論文還就弱堿性陰離子交換樹脂對As(Ⅴ)的吸附去除能力進行了初步探討。結(jié)果表明：①環(huán)氧系弱堿性陰離子交換樹脂對重金屬具有更高的選擇性，能夠在高背景的堿金屬和堿土金屬離子共存

7、下實現(xiàn)水體中微量重金屬污染離子的高效分離。②在痕量的濃度水平及近中性的pH值范圍內(nèi)，331弱堿性環(huán)氧陰離子交換樹脂對Cu2+，Cd2+及Cr(Ⅴ)具有較好的選擇性去除效果，最大吸附容量分別為84.03，44.58和77.52mg/g；其中對Cu2+和Cd2+的去除主要是通過表面絡(luò)合作用；對Cr(Ⅵ)的去除不僅有離子交換作用，同時還有表面絡(luò)合作用，且離子交換速率快于表面絡(luò)合速率。③當Cr(Ⅵ)存在于多種重金屬共存的體系中時，弱堿

8、性陰離子優(yōu)先吸附Cr(Ⅵ)，并大大降低了對其他幾種重金屬離子的吸附。因此，如果在利用弱堿性陰離子樹脂處理Cu2+、Ni2+、Co2+、pb2+、Mn2+、Cd2+等重金屬陽離子時，必須要考慮到Cr(Ⅵ)(CrO42-及HCrO4-)的競爭吸附影響。④SO42-的存在顯著降低弱堿性陰離子交換樹脂對As(Ⅴ)的去除效果。第三部分：選擇兩類鐵礦α-FeOOH(針鐵礦)和β-FeOOH(四方纖鐵礦)以及自然界存在最為廣泛的δ-Mn

9、O2(水鈉錳礦)，深入研究了它們對重金屬和As(Ⅴ)的吸附性能，并對吸附機理作了相關(guān)探討。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：①α-FeO(OH)、β-FeO(OH)均可以在自然水體pH范圍有效吸附Cr(Ⅵ)，吸附速度快，最大吸附容量分別為50．25mg/g和42．02mg/g；②α-FeO(OH)和β-FeO(OH)均能夠有效吸附水體中的As(Ⅴ)，其最佳pH范圍分別為pH5～6．5和pH3．5～7，最大吸附量分別為5．05 mg/g和23．42 m

10、g/g；③四種方法合成的δ-MnO2均能將初始濃度約為1mg/L的重金屬Zn，Pb，Cd，Ni，Cu和Co的含量降低到飲用水安全標準值范圍；四種方法合成的δ-MnO2對重金屬的吸附動力學、吸附容量均有所差異，這可能是四種方法合成的δ-MnO2微觀結(jié)構(gòu)不同而造成的，具有進一步深入探討的價值。④四種方法合成的δ-MnO2對As(Ⅴ)的吸附能力大小有如下順序：δ-MnO2(KMnO4+MnSO4)>δ-MnO2(KMnO4+MnCl

11、2)>δ-MnO2(KMnO4+HCl)>δ-MnO2 (KMnO4+Mn(NO3)2)。第四部分：主要研究將鐵錳粉末材料負載到較大顆粒載體樹脂上、制備容易實現(xiàn)固液分離的復合吸附劑R-MnO2(MnO2負載樹脂D301)及RFM(鐵錳氧化物負載樹脂D301)，并研究了它們對重金屬及砷的去除效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：①所制備的吸附劑R-MnO2能夠在較廣泛pH值范圍(pH3～8)有效去除飲用水體中微量重金屬，是一種微污染源水中微量重金

12、屬的有效吸附劑；R-MnO2對Zn2+，Cd2+，Cu2+，Co2+和Ni2+的最大吸附容量分別為78．13，63．69，131．58，68．49，55．25mg/g，吸附能力順序：Cu2+>Zn2+，Cd2+，Co2+>Ni2+：吸附重金屬后的R-MnO2可以用0.05mol/L的HNO3有效洗脫再生。②所制備的吸附劑R-MnO2可以在酸性條件下(pH≈2)有效吸附水體中As(Ⅴ)，吸附速度快，尤其是對低濃度As(Ⅴ)(1mg

13、/L左右)，吸附率接近100％：預(yù)測R-MnO2吸附As(Ⅴ)是特性吸附、非特性吸附及沉淀與共沉淀效應(yīng)的共同結(jié)果。③所制備的吸附劑RFM可以在廣泛的pH范圍(pH4～9)有效吸附水體中As(Ⅴ)，吸附率接近100％；IR和XRD表征RFM發(fā)現(xiàn)其表面有豐富的羥基，預(yù)測RFM吸附As(Ⅴ)是非特性吸附和特性吸附作用的共同結(jié)果，配位交換的專性吸附是主要吸附方式。關(guān)鍵詞：微污染水體；上海水源地;重金屬;砷；弱堿性陰離子交換樹脂;鐵、