改性凹土的制备及对微污染水源腐殖酸的去除研究

摘要

近几年，不断发展的水质分析技术，使得原本藏匿于水源中的各类微量污染物质不断暴露在人们的眼前，在此种情况下，为了保障人们的饮水健康，微污染水源水的处理成了当前热门的研究课题。天然有机物作为水中一种重要的还原性有机物，会与水溶液中的其它物质发生一系列的化学物理反应，影响水的色度，降低了常规水处理工艺中混凝剂对天然水中胶体悬浮颗粒的去除效果，在消毒过程中形成多种卤化物副产物多为致癌物或诱变剂。不易降解的有机物在供水管网中形成软垢，造成水质的二次污染，这些都对人类健康造成严重影响。
　　本研究从传统净水处理工艺流程的角度出发，尽量避免预氯化消毒副产物的产生，以不投入大量资金新建构筑物为前提，选择来源广泛、价格便宜、沉降性能良好，并具有特殊性能的凹凸棒土（以下简称“凹土”）进行改性，选用酸活化、热处理、十八烷基三甲基氯化铵(OTAC)有机改性三种改性方法通过设计正交实验，得出改性凹土的最佳制各工艺条件为:3 mol/L酸反应3h，氯化钠浓度0.5 mol/L，钠化时间2h，改性剂用量为凹土质量的3％，微波改性时间为9 min，频率为100 Hz。改性凹土投药量为0.7 g/L时，腐殖酸的去除率可达97％。通过红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对原土及不同改性方法后的凹土进行了表征，结果表明:酸改性后，对凹土表面的选择吸附性造成影响，凹土出现层片结构，排列参差，由于酸蚀作用而存在破碎现象;热处理后，凹土部分结晶水脱失，结构整体疏松膨胀，出现明显的层片结构;有机改性后，凹土利用静电作用力来吸附带正点的有机改性剂OTAC，不会造成凹土结构的显著变化;“酸+热+有机改性”三种方法联合改性凹土，对凹土的内部结构造成破坏，使其对OTAC的负载量最少。通过改性凹土对腐殖酸的吸附特性研究，考察改性凹土投加量、pH值对腐殖酸吸附率的影响，利用Langmuir、Freundlich、Temkin、Redlich-Peterson四种等温方程对改性凹土吸附等温线进行拟合，研究得出:(1)考虑改性凹土的吸附能力，兼顾去除率及经济因素的要求，单独投加改性凹土0.4g/L时，凹土对腐殖酸的吸附效果最佳。(2)改性凹土在酸性条件下去除腐殖酸效果较好，中性条件下效果较差，用于强化混凝沉淀工艺中应该和PAC联用。(3)改性凹土在90 min时有良好的沉降性，因此，凹土的最佳沉淀时间为90min。(4)用四种等温方程式对改性凹土吸附腐殖酸的吸附等温线进行拟合，拟合相关系数由高到低依次是:Langmuir＞ Redlich-Peterson＞Temkin＞ Freundlich。Langmuir吸附等温方程的相关系数最大，能较好的说明改性凹土吸附腐殖酸的过程，表明改性凹土对腐殖酸的吸附更偏向于单层吸附，且为有利的物理非可逆吸附。
　　本文研究了PAC联合改性凹土对微污染水源中腐殖酸及浊度的去除的效果，同时考察改性凹土作为助凝剂混凝去除腐殖酸及浊度的最适投加量，及其在不同沉淀时间、不同初始浊度、不同pH值、不同投加次序及不同水力条件下的腐殖酸和浊度的去除效果。分析研究得出：“PAC-改性凹凸棒土”强化混凝工艺不仅能有效降低PAC投药量，还大大减少沉降时间，扩大pH适应范围，且有效提高耦合去除腐殖酸和浊度的效果，体现出较高的经济价值和适用性；复配投加可减少25％的PAC投药量。实验确定最佳投药量为PAC15mg/L，改性凹土30mg/L，最佳沉淀时间为30min时，对腐殖酸和浊度的去除率可达95.5％和96.8％；“PAC-改性凹土”强化混凝对pH值的变化有很好的适应性，当pH值居于中性范围时，呈现出较好的去除效果；合适的初始浊度能有效提高腐殖酸的去除率，低浊水不利于腐殖酸和浊度的去除；强化混凝的优选投加工艺可选“前投加”工艺:先投加改性凹土，快速搅拌后，再投加PAC。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 微污染水源

1．1．1 微污染水源现状

1．1．2 腐殖酸简介

1．1．3 腐殖酸危害

1．2 微污染水处理技术及研究进展

1．2．1 预处理技术

1．2．2 深度处理技术

1．2．3 强化常规处理技术

1．3 凹凸棒土在水治理中的现状

1．4 凹土的改性方法

1．4．1 酸化法

1．4．2 热活化法

1．4．3 碱化法

1．4．4 有机改性法

1．4．5 无机改性法

1．4．6 无机-有机改性和混合法

1．5 课题的研究内容和研究意义

1．5．1 课题来源及研究意义

1．5．2 课题主要研究内容

第二章 实验方法、材料及设备

2．1 实验方法及指标测定

2．1．1 正交实验设计

2．1．2 吸附实验方法

2．1．3 混凝实验方法

2．1．4 指标测定

2．2 实验材料

2．2．1 主要的实验试剂

2．2．3 实验用水

2．3 实验设备

第三章 凹凸棒土改性方法的确定及物化表征

3．1 凹凸棒土的改性

3．1．1 单一改性条件下的对比

3．1．2 联合改性方法对比和优选

3．2 凹凸棒土改性正交实验

3．2．1 正交实验设计及结果分析

3．2．2 正交实验方差分析及优化设计

3．3 改性凹土的物化表征

3．3．1 傅里叶红外光谱分析

3．3．2 X射线衍射分析()(】Ⅷ)

3．3．3 电镜扫描分析(SEM)

3．4 本章小结

第四章 改性凹土对腐殖酸的吸附效果及吸附特性

4．1 改性凹土投加量的影响

4．2 pH值的影响

4．3 改性凹土的沉降性

4．4 改性凹土的吸附等温线拟合

4．5 本章小结

第五章 改性凹土作为助凝剂对腐殖酸强化混凝参数确定

5．1 沉淀时间对腐殖酸去除效果的影响

5．2 改性凹土与PAC复合配比的确定

5．2．1 改性凹土最佳投药量的确定

5．2．2 PAC最佳投药量的确定

5．3 pH对腐殖酸和浊度去除效果的影响

5．4 初始浊度对腐殖酸和浊度去除效果的影响

5．5 PAC和改性凹土的投加顺序对耦合去除的影响

5．6 混凝搅拌参数对去除效果的影响

5．7 改性凹土耗药量经济性分析

5．8 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

声明

致谢