电絮凝法去除水体中砷的研究

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水体中砷的去除是当前最为活跃的研究问题之一。电絮凝法因装置简单,处理效率高、能耗少且占地面积小,成本低,使用范围广等优势在水体砷污染治理方面受到广泛关注。现有研究多集中在砷的去除效率、去除动力学以及电能消耗上,对电絮凝除砷的机理研究仍有待加强,尤其是水体中共存干扰物质对砷的去除的影响机制尚不清楚。本论文通过系统研究不同条件下电絮凝过程中砷的去除动力学,重点考察铁形态变化,将其与砷的去除结合起来,为深入的理解电絮凝对砷的去除过程以及各干扰因素的影响机制,提高电絮凝除砷效率,设计干扰排除措施提供理论指导。首先对电极材料、电流强度、反应p H条件进行了优化。结果表明:铁电极、铝电极和铜电极均能有效去除As(Ⅴ),且铁电极的效果最好。在用铁电极电絮凝过程中,As(Ⅴ)的去除效率随着电流强度的增大而增大。在电流强度为3 m A,p H在5.0~9.0范围内,电流效率达到90.5%~116.4%,反应1小时可将初始浓度为400μg/L的As(Ⅴ)降至10μg/L以下。As(Ⅴ)的去除效率受p H的影响较小。当p H由5.0增加到7.0时,由于碱性条件更有利于Fe2+的氧化和沉淀,不溶性铁量的增加,As(Ⅴ)的去除速率加快。而当p H进一步增加到9.0时,由于Fe(OH)4-阴离子络合物的生成,不溶性铁的比例有轻微下降,As(Ⅴ)的去除速率也有所下降。虽然在p H过低或过高时,As(Ⅴ)的去除速度较慢,但p H在5.0-9.0范围内,最终的去除效率大致相当,说明电絮凝法可以在较宽的p H范围内有效工作。在此基础上,进一步研究了水体中共存的含氧酸根(磷酸根,硅酸根)、腐殖酸(HA)及钙离子对电絮凝除As(Ⅴ)的影响。结果表明:含氧阴离子磷酸根和硅酸根对电絮凝除As(Ⅴ)过程均有显著的抑制作用。在p H 5.0-9.0范围内,磷酸根/硅酸根浓度越高,As(Ⅴ)去除率越低。这是由于磷酸根和硅酸根与As(Ⅴ)具有相似的化学性质,可以与As(Ⅴ)竞争吸附点位。磷酸盐和硅酸盐对电絮凝过程中铁的形态分布没有产生明显影响。HA对电絮凝除As(Ⅴ)具有较强的抑制作用。一方面HA可与As(Ⅴ)竞争吸附位点;另一方面,HA可与Fe(III)生成Fe(III)-HA配合物,抑制铁氧化物/氢氧化物沉淀的生成。硅酸根/HA与钙离子共存时相较于其单独存在时As(Ⅴ)的去除率大大提高,但磷酸根和钙离子共存时As(Ⅴ)的去除率变化不大。钙离子能够明显减弱HA对铁氧化物/氢氧化物沉淀生成的抑制作用。为了更深入的探究电絮凝除As(Ⅴ)的机理及共存物质的影响机制。采用XRD和FTIR对电絮凝固体产物进行了分析。结果表明:在p H 5.0-9.0范围内,电解产生的固体产物主要以Lepidocrocite(纤铁矿)、Goethite(针铁矿)和Magnetite(磁铁矿)的形式存在,且随着p H的升高,Lepidocrocite的含量减少,Goethite和Magnetite的含量增加。在磷酸根单独存在情况下,Lepidocrocite的含量增加。而当硅酸根单独存在时,Lepidocrocite的含量减少。对于HA,虽然其影响沉淀的产量,但是其对沉淀的晶型并没有表现出明显影响。钙离子能够促进生成晶型更稳定的Goethite和Magnetite沉淀,从而减小硅酸根或者HA对As(Ⅴ)去除的影响。而在磷酸根存在情况下,沉淀的晶型基本不受钙离子的影响。因而当钙离子与磷酸根共存时,钙离子对As(Ⅴ)的去除的促进作用较小。最后,对电絮凝法在实际水体中的应用进行了验证。分别取用自来水,河水和地下水进行电絮凝实验。虽然不同水体水质参数各不相同,最终的去除率有所不同,但是通过优化反应条件都能使As(Ⅴ)含量达到饮用水标准。
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