去除水中微量砷的吸附剂制备及其除砷性能研究

摘要

随着现代工农业生产、冶金行业、化工产业的迅速发展,以及含砷制品广泛利用,砷对环境的污染日趋严重。在世界上许多地区普遍存在着地下饮用水中As(Ⅲ)含量超标的现象,关于饮用被砷污染的水而导致中毒的事件时有报道,人们对砷污染严重性也有了进一步认识。我国2007年7月1日起在全国范围实施的《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)中也将砷的浓度从0.05mg/L降低到0.01mg/L。
　　目前含砷水的处理方法有沉淀法、离子交换法、氧化法、生物法等,但是这些方法对于低浓度含As(Ⅲ)水的处理都存在缺陷。基于废弃生物材料廉价易得、吸附容量大,不易产生二次污染等特性,选定啤酒麦糟作为制备吸附剂的原料,借助MaterialsStudio5.5软件的DMol3模块对各基团与砷的配合能力进行理论计算分析,计算相应的前线轨道能量,为吸附剂的制备提供依据。
　　本论文采用PAM改性麦糟及甲醇改性麦糟吸附As(Ⅲ),突破传统处理工艺过程需将As(Ⅲ)氧化成As(Ⅴ)再进行处理的技术瓶颈。PAM改性麦糟吸附砷的最佳麦糟用量为3g/L,最佳pH为5,反应时间在2h可以达到吸附平衡。在最佳反应条件下可以使含砷水中的砷达到《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)中0.01mg/L的标准。
　　考察水体中具有代表性的阴阳离子共存时对改性麦糟吸附砷的影响。结果表明:Cd2+和Fe3+的加入可以促进改性麦糟对As(Ⅲ)的吸附。而F-、NO3-、SO42-、PO43-等阴离子的存在对PAM改性麦糟吸附As(Ⅲ)均有抑制作用。同时处理赣州市某一级水源,证实PAM改性麦糟是一种比较经济有效的除砷剂。
　　改性麦糟对As(Ⅲ)的吸附动力学研究表明,其与二级吸附动力学方程较吻合;该吸附过程符合Freundlich吸附等温方程,且其n值均在10以内,说明吸附反应是较易发生的;焓变△H值为负说明该吸附过程是放热反应,且吉布斯自由能△G均为负值,说明吸附反应均能自发进行。
　　对吸附砷后的麦糟进行解吸实验和毒性浸出实验,结果发现碱性溶液的解吸效果优于酸性溶液;依据毒性浸出实验的结果,本实验的麦糟可以直接填埋处置。
　　实验结果表明,PAM改性麦糟对As(Ⅲ)的去除率高于甲醇改性麦糟,这也与砷和各基团配合的前线轨道能量计算结果相符合,即酰胺基与砷的结合能力优于羟基与砷的结合能力。通过红外光谱分析得出PAM改性后的麦糟中酰胺基的活性增大了;电镜扫描结果也显示经过PAM改性的麦糟比未改性的麦糟孔隙变大了;而能谱分析发现,与未改性麦糟相比,吸附砷后的PAM改性麦糟出现了砷峰。

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第一章 绪论

1.1 前言

1.2 砷的基本性质及其危害性

1.3 地下饮用水中砷污染的现状

1.4 地下饮用水中砷的来源

1.5 除砷技术

1.6 废生物吸附剂

1.7 课题研究的目的、意义及内容

1.8 创新点

第二章 实验材料及研究方法

2.1 实验仪器、设备与试剂

2.2 实验材料

2.3 实验分析方法

2.4 实验方法与内容

第三章 砷与基团配位的理论计算

3.1 密度泛函理论（DFT）

3.2 前线轨道理论

3.3 Dmol3计算软件包

3.4 砷与各基团配合的理论计算

第四章 改性麦糟吸附低浓度含砷水的研究

4.1 引言

4.2 不同改性剂对吸附效果的影响

4.3 改性麦糟用量对吸附As(Ⅲ)的影响

4.4 溶液pH对改性麦糟吸附As(Ⅲ)的影响

4.5 反应时间对改性麦糟吸附As(Ⅲ)的影响

4.6 其它共存离子对PAM改性麦糟吸附As(Ⅲ)的影响

4.7 PAM改性麦糟处理水源地水的效果

4.8 PAM改性麦糟的解吸实验

4.9 毒性特征浸出实验

4.10 本章小结

第五章 PAM改性麦糟吸附含砷水的机理分析

5.1 吸附容量

5.2 PAM改性麦糟的吸附动力学分析

5.3 PAM改性麦糟的吸附等温分析

5.4 PAM改性麦糟的吸附热力学分析

5.5 红外光谱分析

5.6 电镜扫描分析

5.7 能谱分析

5.8 小结

第六章 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

参考文献

致谢

附录A

个人简历、在读期间发表的学术论文和参与的科研项目