改性沸石吸附水中典型污染物的性能与机理研究

发布时间：2020-07-03 04:59

【摘要】：受自然条件、人口激增、经济发展、突发事件等影响,各种各样的污染物不断进入到水环境中。吸附作为高效、低成本、易于操作的水污染处理工艺,对于控制污染范围、清除水体污染、改善生态环境具有突出的实用价值。本文的研究围绕着氟离子、双酚AF (BPAF)、2-氯苯酚(2-CP)这三种水中典型污染物的吸附去除系统展开。首先通过实验筛选出针对氟离子、BPAF、苯酚类化合物的高效商品化吸附剂及具有潜力的低成本吸附剂,并初步探讨了污染物吸附去除的作用机理,为应急水处理提供基础数据。然后以沸石为主体,研究了不同的改性沸石分别吸附去除氟离子、BPAF、2-CP的性能并探明了吸附机理,为拓展沸石的功能与应用提供了实验依据,为改性沸石在水处理中的应用提供了技术基础。具体结论包括：(1)基于吸附动力学及吸附等温线模型的理论假设进行原始公式整理,不同吸附模型在应用时应遵循其理论假设和适用范围。在实验数据与吸附模型拟合中,利用线性方法获得的决定系数值来判断最匹配吸附模型的方法存在理论缺陷,非线性拟合方法是研究吸附体系动力学和吸附等温线的正确方法,加入误差函数优化拟合结果评价,进而更准确地用最佳模型参数对吸附规律进行分析。基于吸附实验数据拟合的最佳吸附等温式中的相关参数进行热力学参数的计算是最为准确的方法。(2)针对水中氟离子污染,商品化吸附剂的筛选结果表明γ-氧化铝和粉末活性炭有较好的除氟效果,人造沸石具有一定的除氟效果,而且均在酸性条件下除氟效果更佳；氟离子分别通过范德华力,离子交换,氢键作用力吸附到人造沸石、γ-氧化铝和颗粒活性炭上。多种商品化吸附剂对水中BPAF的吸附去除效果均不理想,这与BPAF强吸电性的6F基团相关。颗粒和粉末活性炭对苯酚类系列污染物的吸附去除效果明显,酸性条件更有利于污染物的吸附去除,而其他吸附剂则对这一系列污染物几乎没有去除效果；随着污染物疏水性的增强,两种活性炭对苯酚类系列污染物的吸附容量增大,疏水作用和静电相互作用是活性炭吸附苯酚类污染物的主要机制。从环保、经济、实用的角度出发,沸石是极具潜力的商品化吸附剂。(3)制备的壳聚糖改性沸石(Ch-Z)通过表征分析证明壳聚糖在沸石表面上部分负载,但对氟离子的吸附容量是沸石的三倍。pH、共存离子、温度等环境因素对Ch-Z吸附氟离子有显著影响：吸附的最适pH范围是5.0±0.5；由于共存离子会引起环境pH值的变化从而影响Ch-Z对氟离子的吸附,水中阴离子的存在对Ch-Z除氟会产生抑制作用；温度升高有有利于氟离子在Ch-Z上的吸附。吸附过程是非均相吸附,静电引力是Ch-Z吸附去除水中氟离子的主要机理,而且Ch-Z在除氟实践取得良好的效果,因此具有很好的应用前景和推广价值。(4)表面活性剂胆酸钠(NaC)存在条件下BPAF在Ch-Z上的吸附效果明显提高,吸附剂的最佳投放量为1g/LCh-Z和1.68 mmol/L NaC,此时BPAF的去除效率可高达78%。Ch-Z和NaC的共同作用可以促进BPAF的快速吸附去除,而且在较宽的BPAF浓度和pH值变化范围内(6-10)保持较高的吸附能力。NaC在Ch-Z上的吸附以及BPAF和NaC之间的疏水作用是NaC存在条件下Ch-Z对BPAF吸附增强的主要机理,为水环境内分泌干扰物的污染去除提供新思路。(5)与传统的二步法工艺相比,沸石/表面活性剂(十六烷基三甲基溴化铵,CTAB)一体化工艺可以大幅度提高2-CP快速吸附去除的效果。两种工艺中表面活性剂在沸石表面形成不同构象对2-CP的吸附有不同程度的促进作用,体化工艺中沸石表面形成了松散的表面活性剂双层构象增加了疏水位点,通过表面吸附和疏水分配作用提高了2-CP吸附去除效果。研究了沸石/表面活性剂一体化工艺的实验参数,一体化工艺中最佳投放比例为(1g/L Na-zeolite)/(0.33 g/L CTAB),而且在酸性偏中性的pH条件下以及较宽的污染物浓度和温度范围内可以保持较高的污染物吸附去除率。吸附剂经过多次再生并在每次循环吸附时补充一定的表面活性剂有助于保持较好的2-CP的吸附去除效果,进一步验证了一体化工艺替代传统的二步法工艺吸附去除2-CP的可行性。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703;O647.3
【图文】：

合作关系,国际合作

析过程在ＵＣＩＮＥＴ６软件中完成（Ｚｈｕａｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１３），可绘制成国家和地区的合逡逑作关系网，其中节点大小表示国家合作文献数量，连线的粗细表示两个国家间的逡逑合作强度。有关水环境研究的国家和地区的合作关系网（图１．３）中节点的大小逡逑对比明显，美国、加拿大、德国、英国和中国发表的国际合作文献数相对较多。逡逑根据连线的粗细可知，美国在国际合作网络中占有核屯、位置，与加拿大、中国和逡逑德国等国家在水环境研究领域的合作较为紧密。逡逑ｍ逡逑图１．３国家和地区的合作关系问逡逑Ｆｉｇｕｒｅｌ．３邋Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ邋ｎｅｔｗｏｒｋ邋ｏｆ邋ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ／ｔｅｒｒｋｏｒｉｅｓ．逡逑８逡逑

曲线,坐标转换,吸附剂,吸附能力

③＂Ｌ＂型逡逑当吸附质的浓度增加，溶液中剩余化合物的浓度与吸附在固体上的化合物浓逡逑度之间的比例降低，呈现出一个曲线（图１．４ｂ）。它表明吸附剂的吸附逐渐饱和，逡逑通常又分两种情况：（０曲线达到接近饱和状态（吸附剂具有有限的吸附能力），逡逑Ｗ及（ｉｉ）曲线没有达到饱和状态（吸附剂没有清楚地显示出有限的吸附能力）。逡逑③

【参考文献】