鐵鹽混凝去除As(Ⅲ)和As(V)及鈦鹽光催化氧化混凝去除As(Ⅲ)的機(jī)理研究.pdf

1、世界上許多地區(qū)都存在地下水砷污染問題，長期使用砷含量超標(biāo)的水會導(dǎo)致皮膚癌和各種內(nèi)臟癌癥，嚴(yán)重威脅人體健康。如何高效地去除污染水中的砷，是安全飲用水供給要解決的重要問題之一。天然水中的砷主要是無機(jī)的三價(jià)砷（As(III)）和五價(jià)砷（As(V)），其中 As(III)比 As(V)毒性更大，更難去除。
　　本文提出了一種新的以鈦鹽為混凝劑的紫外光催化氧化混凝方法。研究這種方法氧化及高效去除As(III)的效能，并提出了硫酸鈦?zhàn)贤夤獯呋?/p>

2、混凝氧化As(III)的機(jī)理。同時(shí)以鐵鹽為混凝劑，研究了鐵鹽水解初期沉淀物的粒徑和Zeta電位對鐵鹽混凝-過濾去除As(III)和As(V)的影響。研究表明，以硫酸鈦為混凝劑的UVC（λ=254nm）紫外光催化氧化混凝（ UVC/Ti(SO4)2混凝）可以在短時(shí)間內(nèi)有效地將As(III)氧化成As(V)，并能在pH=4~6時(shí)高效地將其去除。As3d XPS分析表明，pH=5時(shí)，在UVC/Ti(SO4)2混凝去除As(III)時(shí)產(chǎn)生的沉淀

3、物表面，84.7％的砷是以As(V)的形態(tài)存在的。UVC/Ti(SO4)2混凝過濾后，濾液中剩余的砷都是氧化態(tài)的As(V)。在pH=4~6，As(III)初始濃度為200μg/L，混凝劑投量中等（10mg/L）時(shí)，UVC/Ti(SO4)2混凝-微濾幾乎可以將As(III)完全去除（>99%）。由于As(III)被氧化成As(V)，pH=5時(shí)，UVC/Ti(SO4)2混凝-微濾對As(III)的去除率顯著大于單獨(dú)Ti(SO4)2混凝-微濾

4、對As(III)的去除率，這種優(yōu)勢在混凝劑投量較低（2.5mg/L）時(shí)更明顯。在As(III)初始濃度為10~1000μg/L范圍內(nèi)， UVC/Ti(SO4)2混凝對As(III)的去除率受As(III)初始濃度的影響較小。pH=5時(shí)，硅酸鹽對UVC/Ti(SO4)2混凝-微濾去除As(III)的影響較小，磷酸鹽對UVC/Ti(SO4)2混凝-微濾去除As(III)的影響較大，增加混凝劑投量可以減少硅酸鹽和磷酸鹽對As(III)去除的影

5、響。pH=7時(shí)，Ca2+和Mg2+通過壓縮雙電層作用明顯降低了Ti(SO4)2水解沉淀物的負(fù)電位，從而減小了As(V)與Ti(SO4)2水解沉淀物之間的靜電斥力，提高了UVC/Ti(SO4)2混凝-微濾對As(III)的去除率。單獨(dú)UVC紫外光對As(III)的氧化效率較低（在反應(yīng)21min后，僅為4.1%），由此表明UVC/Ti(SO4)2混凝對As(III)的高效氧化不是由于紫外光的單獨(dú)氧化作用。通過對UVC/Ti(SO4)2混凝去

6、除As(III)時(shí)產(chǎn)生的沉淀物的Ti2p XPS能譜分析表明，As(III)的氧化也不是由As(III)和Ti(IV)之間的直接電子轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)的。通過對羥基自由基捕獲劑（TBA、MeOH）、空穴捕獲劑（I-）以及電子捕獲劑（Cu2+）對UVC/Ti(SO4)2混凝氧化去除As(III)的影響的研究，結(jié)果表明As(III)的氧化機(jī)理主要包括羥基自由基（OH?）及過氧自由基（HO2?/O2?-）的作用。與UVC/Ti(SO4)2混凝類似，UV

7、A/Ti(SO4)2混凝（λ=365nm）也是一種有效的As(III)氧化去除方法。對UVA/Ti(SO4)2混凝去除As(III)的研究結(jié)果表明，在pH=4~6，As(III)初始濃度為200μg/L，混凝劑投量較低（5mg/L）時(shí)， UVA/Ti(SO4)2混凝-微濾對As(III)的去除率大于96.1%，顯著大于相同條件下單獨(dú)Ti(SO4)2混凝-微濾對As(III)的去除率（<68.7%）。pH=7~10時(shí)，UVA/Ti(SO4

8、)2混凝-微濾對As(III)的去除率下降。砷氧化態(tài)分析結(jié)果表明，UVA/Ti(SO4)2混凝-微濾后濾液中剩余的砷都是As(V)。在pH=8~10范圍內(nèi)，SO2-4的存在降低了UVA/Ti(SO4)2混凝-微濾對As(III)的去除率。F-的存在在pH=4~10范圍內(nèi)均使UVA/Ti(SO4)2混凝-微濾對As(III)的去除率有所降低，降低程度在pH=4時(shí)最大。
　　本文同時(shí)對鐵鹽水解初期沉淀物的粒徑和Zeta電位對鐵鹽混凝-

9、過濾去除As(III)和As(V)的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明，pH=5~10時(shí)，鐵鹽水解初期形成的沉淀物的顆粒粒徑都在膠體范圍內(nèi)（4~755nm）。pH小于7時(shí)，顆粒帶正電， pH大于7時(shí)，顆粒帶負(fù)電。由于在pH=5~10范圍內(nèi)As(III)主要以不帶電的中性分子形式存在，As(III)與鐵鹽水解沉淀物之間不存在靜電力的作用，鐵鹽水解沉淀物的Zeta電位對鐵鹽混凝-過濾去除 As(III)沒有影響。而在 pH=5~10范圍內(nèi) As

10、(V)以帶負(fù)電的氧化陰離子形式存在，As(V)與鐵鹽水解沉淀物之間的靜電力作用對鐵鹽混凝-過濾去除As(V)影響較大。在鐵鹽水解沉淀物的Zeta電位為正（pH=5~7）時(shí)，As(V)與顆粒之間的靜電引力促進(jìn)As(V)在顆粒表面的吸附，As(V)的去除率達(dá)到最大。顆粒的負(fù)電位較大時(shí)（pH=8~10），As(V)與顆粒之間的靜電斥力阻礙As(V)的吸附，使As(V)的去除率明顯下降。在本研究的pH范圍內(nèi)，含砷的鐵鹽水解沉淀物顆粒都可以被微濾

11、和砂濾去除，顆粒粒徑對鐵鹽混凝-過濾去除As(III)和As(V)沒有影響。pH=5~10時(shí)，增加一價(jià)電解質(zhì)（NaCl）濃度或加入二價(jià)電解質(zhì)(Ca(OH)2、MgCl2)均會通過壓縮雙電層作用使FeCl3水解沉淀物的顆粒粒徑顯著增加。增加一價(jià)電解質(zhì)濃度對 FeCl3水解沉淀物的Zeta電位影響較小，而加入二價(jià)電解質(zhì)顯著減小了pH=8~10時(shí)FeCl3水解沉淀物的負(fù)電位。增加一價(jià)電解質(zhì)濃度對FeCl3混凝-過濾去除As(III)和As(V

12、)的影響較小。加入二價(jià)電解質(zhì)對As(III)的去除影響較小，但明顯增加了pH=8~10時(shí)As(V)的去除率。加入HA時(shí)，F(xiàn)eCl3水解沉淀物的等電點(diǎn)由pH=7減小到pH=6。在pH=7~10時(shí)，HA的存在增加了FeCl3水解沉淀物的負(fù)電位。HA的存在使鐵鹽混凝-過濾去除As(III)的效率在 pH=5~10范圍內(nèi)均有所降低。在pH=5~8時(shí)，HA對As(V)去除率的降低程度隨著pH的升高而增大。混凝去除砷的兩種機(jī)理-吸附和共沉淀-的相對