污水处理技术篇:水体中的砷如何去除

2020-09-09 23:03:53 56

北极星环保网讯:去除水体中砷的技术主要有物理法、化学法和生物法等3类。其中,吸附是一种简单易行的物理和化学除砷技术,适用于大规模水体的处理。常使用的吸附材料有氧化铁、活性氧化铝、沸石、活性炭、锰矿、粉煤灰等。活性炭具有丰富的孔隙结构和独特的化学官能团,是环境友好型优良吸附剂。但普通活性炭比表面积小、孔径分布宽和吸附选择性差,需通过改性使其表面微孔结构或化学官能团改变,从而具有特殊的吸附和催化性能而应用于实际。

近年来的研究发现,纳米二氧化钛具有超强的吸附砷的能力,但直接应用纳米二氧化钛作为污染水体中砷的吸附剂,一方面实际操作和回收极为困难,另一方面高纯度的纳米二氧化钛产品价格高昂。为此笔者研究了一种让活性炭负载纳米二氧化钛的方法,用于吸附废水中的砷,可大大提高活性炭对废水中砷的去除率。

1、试验部分

1.1试剂与仪器

材料:颗粒活性炭(GAC)粒径0.55~1.70mm,粉末活性炭(PAC)粒径0.15mm,分析纯,天津市福晨化学试剂厂;纳米二氧化钛,纯度99.8%,粒径5~10nm,锐钛亲水型,上海市阿拉丁化学试剂有限公司。

1000mg/LAs(Ⅴ)储备液:符合《化学试剂杂质测定用标准溶液的制备》(GB/T602—2002)。1000mg/LAs(Ⅲ)储备液:准确称取1.3203g分析纯As2O3于烧杯中,溶于5mL2mol/L的NaOH溶液中活性炭饱和吸附量,溶解后加入10mL2mol/L的硫酸溶液,转至1000mL容量瓶中,用水稀释至刻度。将1000mg/L的As(Ⅴ)或As(Ⅲ)储备液稀释1万倍,制得100μg/L的模拟含砷废水。

仪器:AFS-8220原子荧光光度计,北京吉天仪器有限公司;UV-1600紫外-可见分光光度计,上海美谱达仪器有限公司;D8-ADVANCEX射线衍射仪,德国BRUKER公司。

1.2活性炭负载纳米二氧化钛实验

制备:称取10.00gGAC和PAC各5份,分别加入0.05~1.00g不等的锐钛型纳米二氧化钛。向样品中分别加入20mL超纯水,用超声波在40℃、150W的条件下混匀0.5h,室温下静止老化24h活性炭饱和吸附量,用超纯水清洗多次至流出液呈中性,115℃烘干12h至恒重,再置于马弗炉中400℃焙烧4h,冷却,干燥保存。制得系列载钛GAC和载钛PAC。

吸附实验:分别称取0.50gGAC、PAC、载钛GAC、载钛PAC置于250mL三角瓶中。向三角瓶中加入100mL模拟含砷废水,台式恒温振荡器振荡2h,180r/min,20℃,过滤。取滤液测砷含量。

光照实验:分别称取0.05g纳米二氧化钛、载钛GAC、载钛PAC置于250mL三角瓶中,用黑色保鲜膜将三角瓶包裹2层以避光。加入100mL模拟含砷废水,台式恒温振荡器振荡2h,180r/min,20℃,过滤。取滤液测砷含量。

1.3分析测定方法

采用氢化物发生法,用原子荧光光度计测定溶液中砷浓度。吸附后溶液中残余砷浓度取各有效平行样的平均值。

采用硝酸-氢氟酸-硫酸分解体系消化样品,采用二安替比林甲烷比色法,用紫外-可见分光光度计测定二氧化钛浓度,计算出改性活性炭纳米二氧化钛负载量。

取含钛量最高的载钛GAC、载钛PAC饱和吸附砷并烘干,将未吸附砷和饱和吸附砷的载钛GAC、载钛PAC磨细至≤0.074mm(200目),用X射线衍射仪测样品对应衍射角度下的峰值。衍射条件:40kV,40mA,5°~85°,10(°)/min,25℃,铜靶钾离子α辐射,λ=d•sin2θ。

2、结果和分析

2.1改性活性炭中纳米二氧化钛的负载量

实验条件下,活性炭对纳米二氧化钛的负载量随纳米二氧化钛投加量的增加而增加。分别对载钛GAC、载钛PAC中的纳米二氧化钛的负载量(y,mg/g)与投加质量(x,mg/g)进行一元线性回归分析,见式(1)、式(2)。

回归方差均达到了显著水平(P

分析发现,纳米二氧化钛的投加量相同时,两种活性炭所负载的纳米二氧化钛的量没有明显差别,但总体负载量均较低。当纳米二氧化钛的投加量最高为100mg/g时,载钛GAC、载钛PAC的纳米二氧化钛的负载量分别为0.519mg/g和0.538mg/g,负载量仅为投加量的1/200。

2.2改性活性炭吸附砷前后的X射线衍射分析

载钛GAC、载钛PAC在未吸附砷、饱和吸附As(Ⅴ)、饱和吸附As(Ⅲ)三种情况下所得XRD表征的图谱衍射峰基本一致。在GAC衍射角2θ=26.70°,PAC衍射角2θ=25.88°处,均出现了最明显的特征峰。结果说明,砷吸附后没有形成新的晶体物质。

2.3负载量对除砷效果的影响

纳米二氧化钛投加量对改性活性炭除砷效果的影响见图1。

由图1可知,未负载纳米二氧化钛的活性炭对砷的去除效果较差。当向砷溶液中分别投加0.50g的GAC、PAC时,它们对100mL100μg/L的As(Ⅴ)或As(Ⅲ)溶液的砷吸附量均不足0.4mg/g,且两种活性炭差别不大,这表明活性炭不能直接用于对水体中砷的去除,需要改性。而活性炭负载纳米二氧化钛后,同样条件下对砷的吸附量提高了2~3倍。

图1还表明,随着二氧化钛投加量的增加,GAC对As(Ⅴ)和As(Ⅲ)的吸附量呈现抛物线变化,拟合二项式方程分别为y=-0.0003x2+0.0343x+0.7728和y=-0.0002x2+0.0313x+0.5022,P

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