黄河泥沙对砷污染物的吸附规律及动力学模拟研究

摘要

黄河是世界上罕见的多泥沙河流，大量的泥沙颗粒因其巨大的比表面积对水体中污染物产生吸附作用而备受关注。砷（As）作为一种剧毒致癌物质，毒性类似重金属。水源地中各种原因导致砷含量超标或达到临界值对人类健康具有很大的风险，因此，研究黄河泥沙吸附As污染物对安全供水具有重要的意义和学术价值。本文在研究泥沙级配和紊动条件对As吸附影响规律的基础上，以紊动条件下的黄河细沙为研究对象，研究了温度、pH值、初始As污染物浓度、泥沙粒径及振速对吸附的影响，以及共存离子Fe3+和Mn2+对泥沙吸附砷的吸附特征。在此基础上，研究了黄河细沙对黄河两个水源地原水中As的吸附规律，用吸附动力学模型进行了模拟，揭示了吸附机理。
　　本研究主要内容包括：⑴泥沙级配和紊动条件对吸附的影响：泥沙吸附As的平衡时间随泥沙级配的不同而不同，泥沙级配越大，平衡吸附时间越短，粗沙、中沙和细沙的平衡吸附时间分别为：30、45、60min；泥沙浓度相同时，吸持率随着泥沙级配的减小而增加，呈现出细沙＞中沙＞粗沙的规律。⑵通过细沙对砷的平衡吸附试验，采样正交试验优选出最佳吸附条件为：pH=8，温度=20℃，初始砷污染物浓度为0.1mg·L-1，泥沙粒径＞0.3mm，振速＞120r·min-1。发现在最佳试验条件下影响泥沙吸附的因素有：在试验的pH值范围内（6～9.5），pH值在6～7之间不利于泥沙对砷的吸持，pH值＞8时，吸持效果较好；当10℃升高至15℃时，吸持率随温度升高而下降，至15℃时降至最低，至20℃时基本趋于稳定；初始砷浓度在0.1mg·L-1～0.4mg·L-1范围内，泥沙对砷吸持量随着初始砷污染物浓度的增高而增大；泥沙粒径和振速影响不大。⑶分别加入共存离子以及Fe3+、Mn2+共存时，吸附饱和时间由原来的60min增加到了90min；水样中加入单独加入Mn2+后，砷的吸持率在Mn2+浓度为0.2～0.4mg·L-1时达到最大值，在Mn2+浓度为1.0mg·L-1时降到最低；水样中单独加入Fe3+浓度为0.3～0.4mg·L-1时最不利于泥沙对As的吸附；当Mn2+和Fe3+共存时，有效的抵消了相互的干扰，表现为整体的吸附率持续上升的现象；同时，在共存离子浓度达到1.0～1.5mg·L-1时，泥沙对As污染物的吸附己基本达到极限。⑷黄河侧渗水中加入共存离子后产生竞争吸附作用，从而降低了泥沙对As的吸附，其中但Fe3+的竞争吸附影响要要低于Mn2+离子，Fe3+和Mn2+共同存时较任何一种单独存在时的吸附量要大；黄河地表水中加入Fe3+和Fe3+、Mn2+共存时均表现为降低了泥沙对As的吸附，而共存离子Mn2+可以提高泥沙对As的吸附。⑸三种水源泥沙吸附动力学模拟中，相关系数均在0.990以上，具有较好的线性相关性，平衡吸附量与方程拟合参数也非常接近，准二级动力学方程能较为准确地描述吸附过程，说明该过程中存在化学吸附。⑹通过对三种水源泥沙颗粒SEM图像观察发现：同一水源，有共存离子存在与As单独存在相比，吸附后的泥沙颗粒表面的孔隙因被填充而大大减少；与离子水相比，其他两种水源因成分复杂，泥沙吸附的污染物多样，从而使泥沙颗粒表面形貌更复杂，其中黄河侧渗水对泥沙吸附的影响较大。泥沙样品N2吸附-脱附BET分析及泥沙颗粒表面元素分析结果表明，As、Fe3+之间由于产生竞争吸附而使As吸附量降低，Mn2+改变了泥沙的表面形貌而导致泥沙吸附能力减弱。

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