高铁酸钾的制备及去除水中铊、吲哚和处理污水厂污泥的效果与机理

发布时间：2020-03-23 06:10

【摘要】：高铁酸钾具有氧化、消毒、絮凝、吸附以及助凝等多种水处理功能,在给水及污水处理领域具有重要的理论研究及实际应用价值。本文开展了高铁酸钾的制备研究,并利用其氧化、吸附、絮凝等特性研究了对水中铊的去除、对吲哚类污染物的氧化以及对污泥的破解效果及相关反应机理,探讨了利用高铁酸钾控制水体污染及处理污泥的可行性。首先基于文献报道,优化了高铁酸钾制备过程。通过将氢氧化钾加入次氯酸钠溶液的方法制备了碱性次氯酸根溶液。在氢氧化钾投入量为9 mol/L,混合温度为0℃的条件下可制得有效氯浓度为105 g/L的碱性次氯酸根溶液。通过调整反应物比例、反应温度、铁盐种类、过滤、晶体洗涤等操作过程,在控制氧化剂与硫酸铁的摩尔比例为4:1,20℃反应60 min的条件下,可制得产率为67%的高铁酸钾溶液,经结晶、过滤、洗涤等过程,最终可制得纯度为90%的高铁酸钾固体粉末。由于水体铊污染事件的频发且水中痕量铊的去除较为困难,本文系统地研究了高铁酸钾对水体中痕量铊的去除效果及反应机理。向溶液中投加2.5 mg/L高铁酸钾反应5 min后,铊去除率可达90%以上,残留铊浓度低于0.1μg/L,满足我国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)对水中铊浓度的要求。水体p H值显著影响高铁酸钾对铊的去除。在中性及碱性条件下对铊的去除效果较好,在酸性条件下对铊的去除效果较差;溶液中共存离子如K+、Na+、Ca2+、Cl-及HCO3-对高铁酸钾除铊无显著影响,但腐殖酸(HA)可通过包覆高铁酸钾还原产物等过程抑制高铁酸钾对铊的去除。研究反应沉淀中铊的脱附时发现,增加体系内离子浓度对铊脱附无显著影响;升高体系温度可使10%的铊从絮体沉淀中脱附;在碱性条件下,沉淀中铊的稳定性较强,不易脱附;酸性条件可使沉淀中30%左右的铊脱附;10 mg/L的盐酸羟胺可溶解体系中的铁氧化物沉淀并使60%的铊脱附。基于上述结果,优化了高铁酸钾除铊的反应条件,在高铁酸钾预氧化1 min,聚合氯化铝絮凝20 min,沉淀20 min的条件下,可使水中总铊去除率接近98%,且高铁酸钾预氧化联合聚合氯化铝絮凝在去除痕量铊的同时,可有效控制原水化学需氧量(COD)及浊度,并使水中残留铁离子及铝离子浓度满足相关水质标准。通过比较高铁酸钾原位及异位产生的铁氧化物对水中痕量铊的去除效果,结合扫描电子显微镜(SEM)、光电子能谱(XPS)、颗粒粒径及铊去除率等数据的分析结果,推测在高铁酸钾去除铊的过程中,共沉淀作用和表面吸附作用共同影响原位形成的纳米级铁氧化物对铊的去除。吲哚含有氮杂环,在消毒过程中是潜在的亚硝胺类消毒副产物的前驱物。本文研究了高铁酸钾对水中微量吲哚的去除效果并分析了降解路径。高铁酸钾氧化降解吲哚在酸性及中性条件下较为迅速,表面二级速率常数在弱酸性及中性条件下分别为692±26 M-1s-1和186±16M-1s-1。水体中背景物质如钙离子、镁离子、氨基三乙酸和低浓度的乙二胺四乙酸(EDTA)可促进高铁酸钾降解吲哚;焦磷酸钠及高浓度的乙二胺四乙酸(EDTA)会抑制高铁酸钾对吲哚的去除;实际水体背景条件下高浓度(2.5μmol/L)及低浓度(0.5μmol/L)吲哚均可以被高铁酸钾有效去除。通过质谱分析等手段鉴定了高铁酸钾与吲哚反应的部分产物,并推测了高铁酸钾与吲哚的反应机理。通过分析氧化产物的可生化性得出,低浓度的高铁酸钾([Fe(VI)]:[吲哚]6:1)氧化可降低吲哚降解产物的可生化性,高浓度的高铁酸钾([Fe(VI)]:[吲哚]6:1)氧化对吲哚降解产物的可生化性无显著影响。研究了将制备高铁酸钾过程中产生的碱性高铁酸钾溶液直接用于污泥破解。该过程可避免制备高铁酸钾固体过程中的结晶、过滤、洗涤及干燥步骤,并利用高铁酸钾的强氧化性及碱的水解功能对污泥进行破解。考察了高铁酸钾、碱及碱性高铁酸钾溶液对污泥的破解效果。高铁酸钾和碱分别作用于污泥时,污泥的沉降和脱水性能均未得到显著改善;采用碱性高铁酸钾溶液破解污泥时,在700 mg Fe(VI)/L的剂量下可使污泥的沉降性能提高50%以上,并使污泥脱水性能增加7%。碱性高铁酸钾溶液或者碱处理污泥后,可使上清液中溶解性化学需氧量(SCOD)、总有机碳(TOC)、总氮(TN)和总磷(TP)含量大幅度提高;单纯使用高铁酸钾处理污泥时,污泥中溶解性物质增加幅度较小;通过扫描式电子显微镜(SEM)、荧光激发-发射矩阵光谱(EEM)、分子量分布分析发现,碱性高铁酸钾作用于污泥时,在破坏污泥絮体结构、破解污泥细胞壁的同时,可氧化降解污泥中的胞内及胞外大分子物质;碱单独处理污泥时,对体系内的有机物降解作用不明显。同步测定了污泥破解过程中高铁酸钾浓度的变化规律,发现在碱性高铁酸钾反应体系中,碱的存在显著地增加了高铁酸钾的有效作用浓度,并提高了原位产生的三价铁盐的凝聚和沉降性能,从而实现了污泥的高效减容、脱水目的。同时,碱性高铁酸钾溶液处理污泥过程中除臭效果明显。
【图文】：

路线图,路线

本研究的技术路线

氢氧化钾,溶液,加入量,次氯酸钠溶液

向次氯酸钠溶液中加入不同剂量的 KOH 后，所产生的溶液中有效氯浓度变化如图 3-1 所示。图3-1 氢氧化钾加入量对溶液中有效氯浓度的影响Figure 3-1 The effect of KOH dosage on the concentration of available chlorine选择有效氯浓度为 115 g/L 的次氯酸钠溶液作为母溶液，首先可以看出 3 - 11mol/L 的氢氧化钾的加入对次氯酸钠母溶液中有效氯浓度的影响不是很大。当向次氯酸钠溶液中加入 3mol/L 的 KOH 时，，溶液中有效氯浓度约为 110g/L。当向溶液中加入更多的 KOH 时，溶液中的有效氯浓度出现一定程度的下降，在 11mol/L 的氢氧化钾加入时，有效氯浓度约为 90g/L，即：体系中加入一定量的 KOH 会导致溶液中 ClO-的分解(式 3-5)，致使有效氯浓度的降低。为了维持体系中含有较高浓度的有效氯，同时使溶液的碱性有利于高铁酸钾的产生，本文中一般选择配制含有9 - 10 mol/L KOH 的碱性次氯酸盐溶液。3ClO-= ClO3-+ 2Cl-(3-5)3.2.2 反应温度对溶液中有效氯浓度的影响KOH 通入次氯酸钠溶液会放出大量的热
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU991.2;X703

【参考文献】