零价铁复合材料去除水体中砷的研究

摘要

自然地质过程和人为活动导致砷进入水体环境中。在还原性水体中，砷主要以亚砷酸盐形式存在且AsIII毒性是AsV毒性的60~100倍。本文以人工模拟含砷废水（1~2 mg L-1），研究了ZVI复合材料对水体中砷的去除。研究内容主要分为两个部分：（1）研究ZVI-Sand填充柱对水体中AsIII和AsV的去除及砷在不同高度的填充柱中的分布；利用海藻酸钙凝胶反应将ZVI固定在石英砂上以防止铁流失，考察铁负载量、初始砷浓度以及停留时间对ZVI-Sand填充柱去除AsIII能力的影响；（2）制备海藻酸钠基包覆ZVI微珠或丝状复合材料，考察吸附材料在不同影响因素（如pH、共存离子、反应时间和初始砷浓度）下对水体中AsIII去除能力的影响。本研究主要得出以下结论： （1）ZVI-Sand填充柱对水体中2 mg L-1 AsIII或AsV沿柱高度依次去除且柱出水口总铁累积分别为472 mg和656mg。在14天内，ZVI-Sand填充柱对AsIII和AsV去除率均达到90%以上。理论计算出ZVI-Sand填充柱各层对As的累积量沿柱高度先增加后降低，总累计量分别为440 mg和525 mg。填充柱中ZVI对AsIII和AsV吸附能力沿柱高增加且对AsV的吸附能力高于AsIII，其最大吸附容量分别达到70 mgg-1和77 mgg-1。 （2）采用海藻酸钠固定 ZVI 在石英砂表面能减少填充柱中铁迁移流失。试验最初（0~120 个 PV）铁负载量越高出水砷浓度也高。增加水力停留时间（120~375个PV）和降低进水AsIII浓度（375~913个PV)能降低出水AsIII浓度，但填充柱整体对砷的累积量降低。绿色藻类可在低浓度砷环境中生存，且高浓度铁离子抑制其生长。 （3）3%的海藻酸钠添加SA:ZVI质量比为1:1的ZVI粉末为微珠制备的最佳条件。微珠表面粗糙且内部呈现三维疏松多孔海绵状结构，粒径在2~4 mm，微珠含铁量为35.8%。在5.0~9.0的pH范围内，SA-ZVI微珠通过ZVI及其腐蚀产物对砷的吸附和共沉淀作用对1mg L-1AsIII去除率达到70~80%。当水体中存在Ca2+、Mg2+、K+和SO42-时能促进SA-ZVI对AsIII的吸附，HCO3-和NO3-对砷的吸附影响不大，而 SiO32-和 PO43-对砷的吸附产生明显抑制。SA-ZVI 微珠对AsIII的吸附符合Freundlich吸附等温过程和Pseudo second-order动力学过程，Langmuir模型拟合出最大吸附容量为25.81 mg g-1。 （4）聚丙烯酸钠与海藻酸钠共包覆ZVI制得的PAAS/SA-ZVI复合丝状材料含铁量为 30.5%，其表面粗糙，直径在 1 mm 左右。在 pH 为 5.0~8.0 时，PAAS/SA-ZVI对1 mg L-1AsIII去除率达到88%以上。水中Ca2+、Mg2+和K+能促进 PAAS/SA-ZVI 对 AsIII 吸附，而 SiO32-和 PO43-则具有明显抑制作用。PAAS/SA-ZVI对AsIII的吸附符合Freundlich多分子层吸附和Pseudo first-order动力学过程，吸附容量达到36.44 mg g-1。