全氟化合物(PFCs)作为一类新兴的持久性有机污染物,广泛应用于化工生产和生活消费品中,具有高表面活性、高热稳定性、高化学稳定性、持久性、生物累积性和潜在毒性等特点,对人类的健康危害较大。全氟辛烷磺酸(PFOS)和全氟辛酸(PFOA),广泛存在于环境介质、自然水体、沉积物、动植物以及人体内,污染较为严重,是检出最为广泛的PFCs,近年来国内外学者对PFCs关注度不断提高。在水中有较高的溶解度,很容易被水中颗粒物质所吸附,在全球范围内的海水、地表水、饮用水中都存在PFOS/PFOA的污染,直接危害着人类的饮用水安全。常规去除PFCs的方法,主要集中在氧化、光分解与光催化、超声技术等方法上,这些方法条件要求严格,不能得到广泛的应用。膨润土作为一种廉价高效的吸附介质,具有较大的比表面积、强阳离子交换能力、稳定性良好和环保无污染等优点而备受关注。天然膨润土自身带有负电性、亲和性能较差,从而限制了对非离子或阴离子型污染物的吸附效果。天然膨润土经有机改性,层间距明显增大、有机碳含量增加、表面由亲水性变为疏水性,对非离子或阴离子型有机污染物的吸附能力增强。本研究以内蒙膨润土作为原料,采用共沉淀法将纳米四氧化三铁(Fe3O4)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)负载到膨润土上。在不同条件下制备出不同含量的有机磁化膨润土复合材料(Fe3O4-CTAB-bent),进行PFOS/PFOA吸附对比实验,最后选择出既能够快速高效的吸附水中PFOS/PFOA,又能实现快速分离且对环境无污染的Fe3O4-CTAB-bent复合材料。借助X射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、振动样品磁强计(VSM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、X荧光光谱仪(XRF)和能谱仪(EDS)手段对改性前后膨润土结构、形貌、成分等进行表征分析。通过吸附实验研究了Fe3O4-CTAB-bent对水中PFOS/PFOA的吸附性能及规律;主要研究了吸附等温线、吸附动力学、吸附热力学。此外,考察了p H值、腐殖酸(HA)、阴阳离子的影响,以及Fe3O4-CTAB-bent的脱附再生和磁回收。通过单因素实验研究了Fe3O4-CTAB-bent协同聚合氯化铝(PAC)混凝去除水中PFOA/PFOS和浊度;主要考察了絮凝剂的种类、PAC投加量、p H值、Fe3O4-CTAB-bent投加量、原水初始浊度的影响。最后比较了CTAB-沸石、CTAB-凹凸棒、CTAB-水滑石和活性炭协同PAC去除水中PFOA/PFOS的效果。之后以PFOS/PFOA去除率为响应值,PAC投加量、p H值、Fe3O4-CTAB-bent的投加量为自变量,进行Box-Behnken模型(BBD)优化设计实验,通过Design-Expert软件分析获得Fe3O4-CTAB-bent协同PAC混凝去除水中PFOA/PFOS的最佳响应值。主要研究结果表明:(1)Fe3O4-CTAB-bent复合材料相比于天然膨润土,晶体结构并未发生显著变化,层间距变大;特征峰的位置发生变化、强度降低;表面更加疏松,空隙变大,饱和磁化强度为7.32 emu/g;K、Al、Si、Ca、Zr等元素的含量均有所减少,Fe和Br的含量增大,有机碳含量增加。成功制备了Fe3O4-CTAB-bent复合材料,Fe3O4-CTAB-bent既能够快速高效吸附水中PFOA/PFOS,又能在外加磁场的作用下实现快速分离,对环境无污染。(2)Fe3O4-CTAB-bent复合材料可以短时间内高效吸附PFOS/PFOA,120 min后达到吸附平衡,最大吸附容量分别为393.7 mg/g和363.6 mg/g。Fe3O4-CTAB-bent对PFOS等温吸附过程可以用Langmuir模型、D–R模型、Tempkin模型、R-P模型进行拟合,对PFOA可以用Langmuir模型、Freundlich模型、Tempkin模型、R-P模型进行拟合。伪二级动力学均可很好地描述Fe3O4-CTAB-bent对水中PFOS/PFOA的吸附动力学过程。Fe3O4-CTAB-bent对PFOS/PFOA的吸附过程为吸热反应,属于自发的物理吸附。Fe3O4-CTAB-bent吸附PFOS过程中产生的驱动力要大于吸附PFOA,在298K~333K内,随着温度升高Fe3O4-CTAB-bent对PFOS吸附过程中产生的驱动力增大,而对PFOA吸附过程中产生的驱动力减小,温度的影响较小。Fe3O4-CTAB-bent对PFOS/PFOA的吸附反应增加了Fe3O4-CTAB-bent与PFOS/PFOA溶液界面的无序性。随着溶液p H值的升高,Fe3O4-CTAB-bent对水中PFOS/PFOA的吸附容量降低,且对PFOS的吸附容量高于PFOA。HA与PFOS/PFOA在Fe3O4-CTAB-bent吸附过程中存在竞争吸附。水中共存Cl-、NO3-和Ca2+、Na+均会抑制Fe3O4-CTAB-bent对PFOS/PFOA的吸附。Fe3O4-CTAB-bent吸附剂经4次Na OH溶液脱附后对PFOS/PFOA吸附容量仍然保持在148.6mg/g和120.1 mg/g,Fe3O4-CTAB-bent吸附剂具有良好的循环再生能力。(3)Fe3O4-CTAB-bent协同PAC进行混凝时,能有效去除PFOS/PFOA和浊度,在PAC投加量为20mg/L、p H值为6~7、Fe3O4-CTAB-bent投加量为30 mg/L时,PFOS/PFOA去除率分别达到75%、70%(常规混凝去除率分别为9%、3%)。PFOS/PFOA去除率随着PAC投加量的增加而变大,且PAC投加量为20mg/L时对PFOS/PFOA和浊度去除效率最优。随着p H值的升高而先升高后降低,且p H值为6~7时,有利于去除PFOS/PFOA和浊度。随Fe3O4-CTAB-bent投加量的增加而增加且PFOS去除率高于PFOA,过高的Fe3O4-CTAB-bent投加量不利于浊度的去除。PFOS/PFOA去除率随着原水初始浊度的增加而增加,100NTU和60NTU时PFOS/PFOA和浊度的去除率明显高于30NTU。膨润土、沸石、凹凸棒、水滑石和活性炭协同PAC混凝后对PFOS/PFOA的去除率均有所改善,CTAB改性水滑石对PFOS/PFOA的去除效果最差,Fe3O4-CTAB-bent对PFOS/PFOA的去除效果最好,CTAB改性的沸石和凹凸棒与活性炭对PFOS/PFOA的去除效果相差不大。(4)BBD优化Fe3O4-CTAB-bent协同PAC混凝去除PFOS所建立的二阶多项式模型高度显著(P<0.0001),模型的失拟项不显著(P=0.0647>0.05),模型的决定系数R2=0.9705,且可信度和精密度高。PAC投加量、p H值、Fe3O4-CTAB-bent投加量对Fe3O4-CTAB-bent协同PAC混凝去除PFOS的影响都为显著,两两之间存在交互作用,其中PAC投加量、p H值、Fe3O4-CTAB-bent投加量两两之间存在正相关关系。BBD优化Fe3O4-CTAB-bent协同PAC混凝去除PFOA所建立的二阶多项式模型高度显著(P<0.0001),模型的失拟项不显著(P=0.0821),模型的决定系数R2=0.9936,且可信度和精密度高。PAC投加量、p H值、Fe3O4-CTAB-bent投加量对Fe3O4-CTAB-bent协同PAC混凝去除PFOA的影响都为显著,两两之间存在交互作用,其中PAC投加量、p H值、Fe3O4-CTAB-bent投加量两两之间存在正相关关系。