铁锰复合氧化物滤料去除地下水中典型微量污染物的效能及机理研究

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地下水是人类极其重要的淡水资源,然而随着经济高速发展,工业、农业、人类生活对地下水的需求量越来越多。由于监管薄弱,因此带来了无节制的地下水开采与严峻的地下水污染现象。目前,地下水中已有近两百余种有机污染物被检出,且有机污染物的种类和数量仍在迅速的增加中。地下水中有机污染严重威胁着饮用水安全,地下水有机污染治理亟待解决。据报道,铁锰氧化物对许多有机污染物都具有良好的吸附和氧化作用,如酚类、抗生素等。本课题组在石英砂滤料表面通过氧化还原法,制备出了铁锰复合氧化物滤料。且已经明确了铁锰复合氧化物滤料去除常规无机污染物的作用机理,但对于新型有机污染物的去除效果和机理尚不清楚。本论文将以课题组挂膜成功且成熟运行5年的铁锰复合氧化物滤料为研究对象,选择地下水中典型有机污染物双酚A、四环素为目标污染物。本课题旨在探究铁锰复合氧化物滤料去除地下水中典型有机污染物双酚A、四环素的效能及影响因素。其次通过水质急性毒性发光细菌法,探究铁锰复合氧化物滤料去除地下水中典型有机污染物过程的急性毒性变化。综合铁锰复合氧化物滤料表面的一系列微观表征结果,进一步分析铁锰复合氧化物滤料去除有机污染物双酚A、四环素的作用机理。此外,考察了铁锰复合氧化物滤料在同步去除无机污染物锰与有机污染物双酚A、四环素之间的相互影响。本文的主要研究成果如下:(1)通过小试实验,40 g铁锰复合氧化物滤料可以累计去除约601.70 mg双酚A、149.45 mg四环素。证明了铁锰复合氧化物滤料在西安北郊水厂进厂水(地下原水)环境中,有较好的去除有机污染物双酚A、四环素的效果。(2)初步探明了铁锰复合氧化物滤料去除双酚A、四环素过程的影响因素:参与反应的的铁锰复合氧化物滤料质量越多,双酚A与四环素的去除率越高;双酚A与四环素初始浓度提高,对铁锰复合氧化物滤料去除双酚A、四环素过程影响不大,且初始浓度越高,平衡吸附量就越多;当投加常见的共存阳离子Mg2+、Ca2+、K+浓度为0.01 mol/L时,Mg2+、Ca2+、K+对双酚A去除过程无显著影响,Ca2+、K+对四环素去除过程也无显著影响,但Mg2+与四环素竞争活性位点,影响四环素的去除速率;在溶解氧浓度低于0.3 mg/L时,对双酚A与四环素的去除过程有抑制作用。(3)明确了铁锰复合氧化物滤料去除双酚A、四环素的过程中反应动力学。铁锰复合氧化物滤料去除双酚A的过程,符合准二级反应动力学方程,准二级反应速率常数k2为4.404 g/(mg·min),理论平衡吸附量qe为0.9936 mg/g,拟合程度R22为0.9649;铁锰复合氧化物滤料去除四环素的过程,符合准二级反应动力学方程,准二级反应速率常数k2为4.404 g/(mg·min),理论平衡吸附量qe为0.03438mg/g,拟合程度R22为0.9936。(4)通过微观表征探究铁锰复合氧化物滤料的微观变化。发现去除双酚A、四环素后其形态及晶体结构未发生明显变化,但是铁锰复合氧化物表面的官能团发生变化,证明了铁锰复合氧化物滤料去除双酚A、四环素的过程是吸附和氧化的过程。提出了铁锰复合氧化物滤料去除双酚A、四环素过程的三个步骤:双酚A、四环素先吸附到铁锰复合氧化物滤料表面,并在滤料表面形成表面络合物,然后铁锰复合氧化物与表面络合物之间进行电子传递,氧化双酚A、四环素,最后部分反应物中间体脱附,部分反应物、反应物中间体吸附在铁锰复合氧化物表面。
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