砷污染地下水修復的滲透反應墻材料篩選及除砷機理研究.pdf

1、水體砷污染是世界許多國家面臨的重要環(huán)境和社會問題之一,研究水體砷污染的修復技術及其機理對于保護生態(tài)環(huán)境、提高人民健康水平及構建和諧社會具有重要意義。本項目的研究目的是,以建立低成本、穩(wěn)定可靠及高效運行的地下水砷污染原位修復技術為基本指導思想,以湖南郴州某地雄黃礦(AsS)淺層砷污染地下水為研究對象,建立地下水砷污染修復的原位可滲透活性反應墻(PermeableReactive Barrier,PRB)修復技術。具體是,本項研究針對國內外

2、已成熟的水體砷去除材料,通過對水體砷去除效果比較和礦物元素分析,篩選出適合我國經濟穩(wěn)定高效的PRB化學材料。在此基礎上,采用實驗室批處理實驗,結合X衍射(X-rayDiffraction,XRD),傅里葉紅外光譜(Fourier-transform Infrared Spectroscopy,FT-IR)和光電子能譜(X-ray Photoelectron Spectroscopy,XPS)等現(xiàn)代儀器分析方法,研究金紅石型和銳鈦型兩種晶

3、型的納米二氧化鈦對地下水砷的去除效果、影響因子及其除砷機理。同時采取FeCl3對一種天然含鈦礦--金紅石礦進行改性并用于水體除砷,研究鐵改性金紅石礦吸附砷效果、影響因子及再生實驗和模擬PRB實驗,探討鐵改性金紅石礦除砷機理。主要研究結果如下:
　　 1.水體除砷實驗發(fā)現(xiàn),在26種不同礦物中,P25納米二氧化鈦對As(Ⅴ)和As(Ⅲ)的去除效果最好,其次是VK-TA18H納米二氧化鈦,而斜發(fā)沸石對As(Ⅲ)的去除效果最差,金紅石礦

4、對As(Ⅴ)的去除效果最差。
　　 2.根據(jù)不同礦物元素的含量,采用最短距離聚類法,當取最小距離值=0.5時,26種礦物根據(jù)其各種元素含量特征聚成6類。第一類共16種材料,包含的種類繁多,如非金屬礦物、金屬礦物、廢棄物類、實驗藥品類。同一類型非金屬礦物不同來源其元素含量差異也非常顯著。如膨潤土ZJL中砷、鉀、鈉、鋅的含量遠遠高于膨潤土原礦16pu紅和膨潤土原礦16pu白。金屬礦物宜昌錳礦粉中錳(93.22 mgkg-1)和銅(7

5、.46 g kg-1)的含量遠高于其他礦物,廢棄物類中的赤泥中的鈉含量在26中礦物中排在第三位達到34.62 g kg-1,同樣鈦在赤泥中的含量僅次于四種納米二氧化鈦,達到70.25 g kg-1。26種礦物中鈉的含量以實驗藥品類的離子交換樹脂最高,達到43.64g kg-1,由此說明該離子交換樹脂中主要的陽離子是鈉離子。第二類材料與鐵相關的幾種礦物鐵精粉、鐵精粉(初)、鐵礦渣。鐵精粉中鐵的含量(571.80 g kg-1)高于鐵精粉(

6、初)(447.00 g kg-1)、鐵礦渣(313.05 g kg-1),而鐵精粉(初)和鐵礦渣中銅的含量分別是鐵精粉的2408和2815倍,鐵礦渣中砷的含量遠遠高于其他礦物,達到478 mg kg-1。第三類材料VK-T01二氧化鈦、VK-T25H二氧化鈦、VK-TA18H二氧化鈦、P25二氧化鈦聚為一類。鈦的含量以P25二氧化鈦(738.84 g kg-1)為最高,遠高于VK-TA18H二氧化鈦(540.43 g kg-1)、VK-

7、T25H二氧化鈦(522.20 g kg-1)和VK-T01二氧化鈦(479.22 g kg-1)。但是VK-T01二氧化鈦中砷的含量分別是VK-T25H二氧化鈦、VK-TA18H二氧化鈦和P25二氧化鈦的24.5倍、15倍和30.7倍。其余三類材料風化煤、活性氧化鋁、鋼渣自成一類。鋁的含量以活性氧化鋁最高,為496.65 mg kg-1。風干煤在26種礦物中鈣的含量最高為834.42 g kg-1,鋼渣中錳的含量也比較高達到1179

8、mg kg-1在26中礦物中僅次于宜昌錳礦粉,而磷在鋼渣中的含量(51.14 g kg-1)在26中礦物中排第一位。
　　 3.水中砷含量=0.200 mg L-1,在投加量為20 g L-1時,1h內對As(Ⅴ)和As(Ⅲ)的去除率,銳鈦型二氧化鈦分別為99.55％和100％,金紅石型二氧化鈦分別為98.54％和58.02％。銳鈦型和金紅石型二氧化鈦對砷的吸附過程均符合Freundlich吸附等溫方程。在溫度25℃,金紅石型對

9、As(Ⅴ)和As(Ⅲ)的去除率隨著pH值(4-10)的增加上升,而銳鈦型對砷的去除不受pH的影響。金紅石型、銳鈦型兩種納米二氧化鈦對As(Ⅴ)和As(Ⅲ)的吸附動力學曲線可用Pseudo-second-order rate equation較好的擬合。H2PO4-,SiO32-,NO3-,SO42-等陰離子的濃度增加,顯著降低銳鈦型對兩種砷離子的去除率,其中H2PO4-對兩種砷的去除影響最大；陽離子明顯提高金紅石型TiO2對兩種砷的去除

10、率。
　　 4.避光基本不影響金紅石型的除砷效果,但降低銳鈦型對As(Ⅴ)和As(Ⅲ)去除率7.52％和12.00％。FT-IR分析圖譜表明,As(Ⅴ)和As(Ⅲ)可能與Ti-O和As-O鍵配合形成化學吸附。XPS圖譜分析表明,在避光條件下,As(Ⅲ)直接吸附在二氧化鈦上。而有光照時,光化學反應使得部分As(Ⅲ)氧化為As(Ⅴ)吸附在二氧化鈦上,金紅石型TiO2則不受光照條件影響,以As(Ⅲ)的單一形式吸附在二氧化鈦上。結果說明

11、,納米二氧化鈦的除砷效果受光照的影響,這是產品開發(fā)中應該注意的重要問題。
　　 5.對金紅石礦的改性表明,FeCl3改性金紅石礦可顯著提高金紅石對水體砷的去除效果。研究結果表明,吸附劑/水比例為20 g L-1,吸附反應時間為1h條件下,鐵改性金紅石礦對As(Ⅴ)和As(Ⅴ)的飽和吸附量超過金紅石礦對兩種砷吸附量的10倍多,且兩種礦對砷的吸附過程均符合Freundlich吸附等溫方程。
　　 6.在溫度為25℃,pH值對

12、礦物除砷效果的影響,未改性的金紅石礦呈現(xiàn)明顯的拋物線特征,而鐵改性金紅石礦在pH較低時,變化緩慢,當pH>4時,對砷的去除率出現(xiàn)急劇下降的趨勢。0.1mol/L NaOH對吸砷后的鐵改性金紅石礦解吸24h,對As(Ⅴ)和As(Ⅲ)的解吸率分別為86.48％,79.28％,再生后的鐵改性金紅石礦對兩種砷去除率可以達到95.43％,94.86％。模擬PRB試驗中,在設計模擬水砷濃度=0.5mg L-1條件下,當出水量超過20.35 L、24