去除水中微量As(Ⅲ)/ As(Ⅴ)的吸附剂制备及其构效关系研究

随着工业化进程的不断加快，全球范围内砷污染成为突出的环境问题之一。为了顺应我国2007年7月1日起在全国范围实施的《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2005)中砷从0.05 mg/L降低到0.01 mg/L，本课题选择As(Ⅲ) / As(Ⅴ)为处理对象，啤酒麦糟为吸附剂原料，对水热矿化法制备吸附剂的过程和条件进行探索，研究吸附剂去除水中微量As(Ⅲ)/ As(Ⅴ)的工艺参数及净化机理；利用化合物的物理化学参数，对吸附剂的构效关系进行系统研究，确定吸附剂中不同组分与除砷性能的关系，为高效除砷吸附剂的制备提供科学依据，争取突破传统处理工艺过程需将As(Ⅲ)氧化成 As(Ⅴ) 再进行处理的技术瓶颈，实现高效净化脱除水中砷离子的目标。在此基础上建立固定床吸附柱动态吸附穿透曲线数学模型，揭示在无氧化剂存在条件下砷离子被吸附剂动态吸附的规律，为不同来源实际含砷水深度处理效果的预测进行科学判据。

随着工业化进程的不断加快，全球范围内砷污染成为突出的环境问题之一。为了顺应我国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)中砷0.01 mg/L的要求，选择As(Ⅲ)/As(Ⅴ)为处理对象，啤酒麦糟为吸附剂原料，基于密度泛函理论和前线轨道理论指导麦糟改性以制备高效除砷吸附剂。探讨了多种改性方法如羟基/乙酰基改性、氨基改性、羧基/巯基改性，研究不同改性麦糟对含砷水的吸附特性。结果表明：1) 羟基/乙酰基改性麦糟中，甲醇改性麦糟吸附砷效果优于乙醇改性麦糟；APAM改性麦糟优于CPAM及NPAM改性麦糟；三种PAM改性麦糟表面均呈现凹凸不平的特征，尤其是APAM改性麦糟表面褶皱及凹槽明显变深，不仅提供较大的比表面积，也暴露出许多有用基团，提供足够的吸附空间和吸附位点，更有利于吸附砷离子；共存镉离子、铁离子增加了APAM改性麦糟对砷的吸附能力；共存氟离子、硫酸根及磷酸根离子对APAM改性麦糟吸附砷均有抑制作用；pH为6时，APAM改性麦糟吸附水源地含砷水后，可满足《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）中砷标准要求，且APAM改性麦糟对水源地含砷水的处理成本低于PAC；APAM改性麦糟吸附砷的过程是放热反应；APAM改性麦糟其酰胺基的活性明显增大；吸附砷后APAM改性麦糟中羟基和酰胺基参与了吸附；吸附砷后的麦糟中出现As—O伸缩振动和O—As—O弯曲振动也证明了APAM改性麦糟对砷的吸附；能谱图中吸附砷后的APAM改性麦糟出现了砷峰，说明改性麦糟中的吸附位点或官能团结合了溶液中的砷。2) 氨基改性麦糟制备的麦糟阴离子吸附剂（SG-AA），可将浓度为0.5 mg/L三价砷降低至0.01 mg/L；SG-AA吸附柱穿透曲线与进水流速、原水浓度、床层高度有关；检测发现：SG-AA表面出现了许多褶皱、沟槽和凹洞；SG-AA中羟基活性有所增强，且引入了季胺基；SG-AA表现出木质纤维素特征，且处于非晶态或无定形态；3) 羧基/巯基改性麦糟中，巯基乙酸改性麦糟吸附水中砷的能力远高于乙酸改性麦糟；pH为7时，巯基乙酸改性麦糟处理水源地含砷水后，出水可满足砷含量0.01 mg/L标准要求。巯基乙酸改性麦糟表面褶皱和凹槽较明显、孔隙较密集，显示较大的比表面积，有利于吸附砷。改性麦糟突破了传统处理工艺过程需将三价砷氧化成五价砷再进行处理的技术瓶颈，实现了高效净化水中砷离子的目标。