砷氟复合污染的共去除及其相关机理研究

高浓度砷氟水威胁着我国农村居民的饮用水安全，砷氟联合中毒严重危害人体健康。本研究将针对砷氟共存地下水，提出对As(V)、As(III)、和氟共除的高效经济、易于操作、可原位再生的复合吸附材料。分别研究地下水中pH、竞争性共存离子、钙镁离子、SiO2和腐殖酸对砷氟吸附行为的影响。用实验室内的快速小柱试验（RSSCT）和野外吸附滤柱试验分别考察砷氟的过滤周期和穿透曲线。同时，通过基于同步辐射的扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）和基于密度泛函方法（DFT）的量子化学计算，确定吸附态砷氟的界面微观结构，建立分子水平上的吸附模型，从而阐明吸附机理。并将微观吸附结构和机理与电核分布多位表面络合模型（CD-MUSIC）和一维迁移模型相结合，解释和预测在实际复杂地下水中砷氟的宏观吸附现象，为实际砷氟复合污染的共去除提供理论依据。

地下水砷氟复合污染严重威胁人民身体健康。在基金委资助下，本课题在我国典型地区(大同平原与河套平原)现场检测分析地下水的水化学组成，影响地下水化学的地球生物化学过程，以及造成地下水中高砷氟浓度发生的主要成因。在作为饮用水源的99口地下水井中发现1-1160 μg/L的砷, 其中91%的水井含砷超过10 μg/L。高砷地下水主要发生在厌氧环境中(氧化还原电位pe=-2~-4), 铁锰氧化物的还原溶解是释放砷的主要原因。高氟水主要是由于CaF2溶解。通过对饮用水、蔬菜、粮食、人体尿液、头发、指甲样品中砷的形态分析，初步研究了砷在人体中的代谢转化及毒性效应，评估了当地高砷暴露人群的健康状况。.课题为实现砷氟复合污染的共去除，以净水用活性炭为载体，用溶胶-凝胶的方法，以无机硫酸钛盐和硝酸镧为前驱体，将钛和镧通过超声浸渍负载到活性炭表面和孔径中，通过高温煅烧，将二氧化钛和氧化镧加载到基底表面，合成了高效砷氟复合吸附剂(TLAC)。吸附等温线、吸附动力学、pH边等宏观吸附行为结果表明, TLAC对砷氟的共吸附效果显著优于市售吸附剂Al2O3与E33p。基于同步辐射的X射线荧光成像分析(XRF)表明, TLAC的活性吸附中心(氧化钛及氧化镧)均匀分布在活性炭载体上。红外光谱以及X射线扩展吸收精细结构（EXAFS）结果显示, 砷与TLAC上的纳米TiO2表面作用, 生成稳定的双齿双核内层络合物, 氟主要吸附在无定形态的氧化镧上。建立在微界面作用机制基础上的表面络合模型(CD-MUSIC)很好地模拟了砷氟在TLAC上的宏观吸附行为。课题合成了基于纳米TiO2的除砷吸附剂，设计构建了滤壶、滤柱等小型水处理器，长期实际地下水处理实验研究结果证明吸附剂的优异性能；同时探究了共存离子比如Ca2+、Mg2+、CO32- 对砷吸附行为的影响, 并测试对比了当地居民饮用处理水前后的尿砷浓度及形态的变化, 验证了吸附剂的处理效果。.课题从分子水平上深入探讨纳米TiO2与砷的相互作用及其对高砷工业废水的吸附去除机理。EXAFS实验结果与密度泛函理论(DFT)的计算结果均表明，As(III)在TiO2表面上形成两种双齿双核内层吸附构型，As-Ti键长为3.34 Å。通过厌氧培养实验及微观STXM与XANES实验证明硫还原菌对砷在纳米TiO2上的脱附行为和氧化还原转化有决定性的影响。本课题为研究砷氟共去