河流突发铜污染应急吸附技术研究及处置决策分析

发布时间：2020-10-01 06:03

　　 我国前期经济粗放式的快速增长累积了大量的环境风险,导致河流突发重金属污染事件频发,同时又由于相应的应急处置技术和方案决策体系不完善,造成了巨大的生态经济损害和恶劣的社会环境影响。本文针对目前突发重金属污染应急处置过程中存在的污染物难以从水中有效移除、传统颗粒状吸附材料袋装堆积式施用流阻大且传质效率低和应急响应不及时等关键问题,以国家十二五重点防控的重金属铜离子为目标污染物,以吸附移除技术系统为研究方向,研发了以大宗廉价生物质天然黄麻为基体的低流阻纤维状吸附材料及其快速制备工艺、能提高现有颗粒状吸附材料传质效率、可快装投放的应急吸附装置、以及可揭示响应时间效应的应急处置决策分析模型。本文研究了微波辅助羧基改性黄麻的快速制备工艺。采用氢氧化钠溶液对黄麻进行了微波辅助预处理,通过单因素实验和响应曲面法得到优化后的工艺条件:预处理时间为17 min,预处理温度为96℃,碱液浓度为16%;与高温碱煮工艺相比,微波辅助碱预处理工艺缩短了反应时间(缩短了约70%)和降低了碱液浓度(由20%降至16%)。采用均苯四甲酸酐对上述预处理后的黄麻进行了微波辅助接枝改性,通过单因素实验和响应曲面法得到优化后的工艺条件:均苯四甲酸酐与预处理黄麻的质量比为2.8,接枝反应时间为18 min,接枝反应温度为120℃;微波辅助下的初始接枝反应速率约是水浴加热下的18.6倍。结果表明:微波辅助法制备的羧基改性黄麻断裂强度要高于水浴加热法制备的产物。开展了羧基改性黄麻的吸附性能研究,并对上述实验结果进行了吸附模型的分析。羧基改性黄麻在铜离子溶液初始pH值为6.0±0.2、初始浓度为100 mg/L、吸附温度为25℃等条件下对铜离子的吸附量为43.98 mg/g,共存离子(K(I),Na(I),Ca(II)和Mg(II))对铜离子的吸附干扰较小,且储存时间对其吸附性能无显著性影响,经用EDTA-2Na再生四次后仍保持85%的吸附量并趋于稳定。羧基改性黄麻对一些国家十二五规划重点防控的重金属离子吸附效果较好,吸附量大小顺序为:Ni(II)Mn(II)Cu(II)Zn(II)Cd(II)Pb(II),对铅离子的吸附量为159.51 mg/g。吸附动力学研究表明:吸附过程符合准二级动力学模型,且主要由化学吸附控制;由Langmuir吸附等温线模型可知,吸附过程为单分子层吸附,羧基改性黄麻在25℃下对铜离子的平衡吸附量为44.84 mg/g(原麻为4.23 mg/g)。对河流突发铜污染的应急吸附工艺进行了研究,分别建立了固定纤维吸附工艺(包括固定床工艺和固定纤维帘工艺)、振荡流化颗粒吸附工艺和流化颗粒吸附工艺。固定床工艺的研究结果表明:羧基改性黄麻固定床的动态吸附量约是原麻的4.2倍,利用Thomas、Yoon-Nelson和BDST模型能分别较好地估算固定床对铜离子的动态吸附量、50%的穿透时间和10%的穿透时间;固定纤维帘工艺的研究结果表明:固定纤维帘比吸附坝所产生的水力壅高更小,水头损失更少,现场适用性更强,且具有较好的除铜效果。振荡流化颗粒吸附工艺的研究结果表明:当滤袋填充度为50%(半充满)、振荡速度为17 r/min、铜离子初始浓度为100 mg/L和滤袋间距和水深的比值为1:5时,工艺中001*7树脂对铜离子的动态吸附量可达65.80 mg/g。流化颗粒吸附工艺的研究结果表明:当树脂的投加量为0.5 g/L、表观液速为1.18 cm/s、铜离子初始浓度为100 mg/L时,工艺中001*7树脂对铜离子的动态吸附量可达92.03 mg/g。采用量纲分析法分别建立了可估算振荡流化吸附和流化吸附工艺中材料用量的传质模型,为应急处置提供量化的工程实施依据。在上述研究所获取的相关技术参数基础上,从污染物在河流中的扩散规律及其环境经济危害与污染控制费用的动态发展趋势角度出发,构建了以应急响应时间为决策变量、以应急处置费用(表征污染损失)最小化为目标函数、以水质达标和物资准备时间为约束条件的突发水污染应急处置决策模型,并采用情景分析的方法,将物资获取、运输、装卸与装配等的时间因素对应急处置费用的影响进行了量化分析,揭示了应急处置准备工作各个环节的实施时间、以及污染现场条件对应急处置费用的影响程度,为污染事件相关责任人清晰地展示事故应急响应延误的严重后果,也可为决策者在应急处置战略点选择、应急处置技术方案选择、以及应急物资储备库构建方面提供量化的信息支持。本文的研究结果丰富完善了河流突发重金属污染应急处置技术及决策分析体系,具有重要的社会、经济和环境意义。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：X522
【部分图文】：

哈尔滨工业大学工学博士学位论文度和表观液速等对工艺除铜性能的影响，研究工艺的传质规律。最后，提出工艺在实际应用中的设计方法。(4) 基于响应时间效应的应急决策分析在上述研究所获取的相关技术参数基础上，构建基于响应时间的应急处置决析模型；通过对该模型进行典型情景分析，将应急物资准备时间按照物资获运输、装卸和装配等时间因素对目标函数的影响进行量化分析。本文研究的技术路线如图 1-1 所示。

图 2-1 固定床吸附反应器的模型图Fig. 2-1 The schematic diagram of lab-scale fixed bed adsorptio2.2.5.2 固定纤维吸附帘实验实验中所用的河流模拟实验台由水槽(1400×100×150 mm心泵等组成，水位可由水槽外壁的水位计读出，水槽中的流速节，实验时水箱内装有 20 L 铜离子溶液。考虑到纤维状材料具度、流体阻力比紧密堆积小很多，因此可以让纤维状材料的一架上形成挂帘，另一端在水中保持松散状，组成固定纤维吸附帘纤维状材料蠕动泵出水溶液玻璃纤维玻璃纤维原液水

坝和固定纤维吸附帘前后所产生的水位差来获得二者产生。除铜实验时，开启离心泵后，水箱中的模拟含铜地表水被水槽中将经过纤维状材料的吸附作用后，回流至水箱，定子的浓度。流化颗粒吸附工艺实验化吸附反应器（如图 2-3 所示）主要由电机、驱动装置、挂杆和滤袋等组成，其相关设计参数如表 2-4 所示，可通，水箱的材质为有机玻璃，内径尺寸（50×20×60 cm） 50 L 铜离子溶液。化吸附反应器的工作原理是在传统滤袋的基础上，通过机向上发生往复振荡，从而使滤袋内吸附材料发生流化，更了传质吸附效率，达到快速削减水中污染物的目的。

本文编号：2831493