给水管网中氧化剂对Mn2+的动力学反应机理研究

摘要

锰在自然界中广泛存在，也是饮用水中的常见元素。近年来，饮用水中锰超标的现象逐渐引起各国的广泛关注。长期饮用锰超标的水会使人体产生慢性中毒。同时，余锰会在输配水过程中沉积，影响管道输水能力，增加供水能耗，影响消毒效果。当水力或水质条件等发生变化时，沉积在管网中的锰极有可能发生二次释放。饮用水管网中的溶解氧和余氯为氧化 Mn(Ⅱ)的主要无机氧化剂，其氧化 Mn(Ⅱ)的反应，将有利于了解Mn(Ⅱ)的化学动力学反应机制。本文主要采用烧杯实验模拟锰在给水管网中的氧化行为，研究锰在实验室配水中发生的化学动力学反应过程，对实际管网存在的两种主要氧化剂----溶解氧和余氯对锰的氧化动力学反应进行研究。同时，研究自来水中常见金属离子（Fe3+和Al3+）、pH和碱度对锰氧化反应的影响，并具体分析了余氯、Fe3+和Al3+浓度对余氯氧化锰反应速率的作用。
　　本研究主要内容包括：⑴采用烧杯试验，研究均相溶液中溶解氧氧化二价锰的动力学以及不同水质条件对溶解氧氧化锰反应的影响。研究表明，溶解态的二价锰在饮用水pH（6.5~8.5）范围内几乎不能被溶解氧氧化为颗粒态的MnO2；改变溶液中pH以及Fe3+、Al3+的投加量，溶解氧对二价锰的氧化速率依然很慢，几乎可忽略。⑵余氯与二价锰的氧化反应动力学研究显示，在成分单一的配水中，余氯氧化锰的反应速率缓慢；在实际自来水的溶液中，余氯对锰的氧化反应速率较快，随着余氯浓度升高，反应速率越快，两者之间的线性相关系数达0.95，为极显著相关。⑶配水含有常见金属离子Fe3+和Al3+，使余氯氧化锰的动力学反应速率加快，其反应速率v与Fe3+浓度的相关系数为0.73，与Al3+浓度的相关性系数为0.92，Fe3+和Al3+对余氯氧化二价锰的氧化反应具有促进作用。其机理是：余氯与 Mn2+的氧化还原反应为界面反应，Fe3+和Al3+在水解过程中提供了反应界面，并与生成的二氧化锰发生共沉淀，对反应具有促进作用。同时，Fe3+水解产生的FeOOH对反应具有催化作用。⑷在含Fe3+或Al3+的配水溶液中，余氯作为氧化剂，其浓度影响反应速率。在Fe3+为0.1mg/L时，反应速率v与余氯浓度的相关系数达0.94；在Al3+为0.1mg/L时，反应速率v与余氯浓度的相关系数达0.99，均为极显著相关。⑸在pH为6.5~8.5的范围内，余氯氧化锰的反应速率区别不大，说明其对锰的氧化反应的影响较小。在碱度为25~100mg/L时，锰的浓度并没有出现明显变化，其对锰的氧化反应的影响较小。

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第一章 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2给水管网中氧化剂对锰的反应

1.3给水管网中锰的动力学反应

1.4研究内容与技术路线

第二章 实验材料和方法

2.1实验材料

2.2烧杯试验

2.3水质指标与检测方法

2. 4锰含量的测定

2.5沉淀表征--X射线光电子能谱

第三章 溶解氧与Mn2+的动力学反应

3.1溶解氧对锰的反应

3.2 pH对锰氧化反应的影响

3.3 Fe3+、Al3+对锰氧化反应的影响

3.4小结

第四章 余氯与Mn2+的动力学反应

4.1余氯与Mn2+的反应

4.2碱度（Alkalinity）对余氯氧化Mn2+反应的影响

4.3 Fe3+对余氯氧化Mn2+反应的影响

4.4 Al3+对余氯氧化Mn2+反应的影响

4.5小结

结论

1 结论

2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果