从焦化废水复杂组分中分离疏水性污染物的靶向吸附机制

The cocentration of hydrophobic pollutants in coking wastewater such as PAHs is low, but they are the key inhibitory components for biodegradation. If these pollutants can be seperated selectively, the biodegradability of wastewater will be increased significantly. Adsorbents such as activated carbon cannot identify the hydrophobic characteristic, so the toxicity removal capability is not ideal. The hydrophobic adsorbent has the potential for removing these pollutants targetedly, but the improvement of adsorption capability is restricted due to the lack of mechanism study. In this project, the hydrophobic adsorption processe is systematically studied by the method of molecular simulation. The capture capability of hydrophobic groups for pollutants is quantitatively evaluated by the calculated parameters such as adsorption energy and charge distribution, and the optimized groups for typical pollutants are selected wtih these results. The organic-inorganic hybrid adsorbents are prepared with the optimized groups, and their adsorption capability will be examined. the performances of targeting separation for hydrophobic pollutants of the functional materials are investigated by the treatment of coking wastewater. The work above can provide the theoretical foundation of targeting separation technology for hydrophobic pollutants from toxic/refractory industrial organic wastewater.

在焦化废水中，以多环芳烃为代表的疏水性污染物含量虽不高，但却是抑制生物降解的核心成分，如能将其选择性分离则可提高废水的可生化性。活性炭等吸附剂无法识别疏水性特征，因此毒性削减能力不强，而疏水性吸附材料则具备靶向去除这些物质的可能。目前，由于缺乏对疏水性吸附过程的机理解析，吸附剂性能的进一步提升受到限制。项目采用分子模拟技术对疏水性吸附过程进行系统研究，以吸附能、电荷分布等参数定量评价疏水基团对污染物的捕获能力，针对典型难降解污染物筛选匹配疏水基团；以优化的疏水基团为负载物制备有机-无机复合吸附材料，以芘、吡啶等目标污染物验证吸附剂性能与分子结构之间的关系；通过对焦化废水的处理，考察功能化的吸附材料对疏水性目标污染物的靶向分离性能。上述工作结果可指导功能吸附材料的研制，通过识别分离生物抑制成分，改善有毒/难降解有机工业废水的处理性能。

焦化废水作为一种典型高浓度有机工业废水，具有有机/无机污染物组分复杂、生物毒性/抑制性强等特征，在实际废水处理中极易造成水力停留时间长、生物驯化期长、水质达标困难和建设运行费用高等一系列问题。目前，焦化废水的处理主要沿用物化预处理+生物处理的传统污水处理模式，整体处理工艺中缺乏对焦化废水中特征污染物的考察，因此以上的技术瓶颈难以克服。基于对焦化废水成分的研究，研究组提出了对焦化废水中不同污染物成分区别处理的预处理技术思路，主要结果包括：（1）通过对生物毒性较高的疏水性成分进行靶向吸附去除，调节焦化废水的整体水质条件，实现了焦化废水可生化性的提高。Gaussian量子化学计算表明，烷基碳原子数增加对提高有机物吸附能的作用并不显著，长链烷基提高有机粘土吸附容量的真正原因在于其可提供更多的有机物吸附位。基于此，在酸化粘土材料表面均匀接枝短链烷基官能团，双组份吸附实验结果证明该材料可从亲/疏水性双组份溶液中选择性去除疏水性有机物，其选择性吸附能力明显高于活性炭、XAD-16疏水性树脂等传统吸附材料。对焦化废水的处理结果表明，经靶向吸附后焦化废水的B/C值由0.3提高至0.5，生物降解实验证明废水总有机碳（TOC）的去除率显著高于其他组。靶向吸附可以选择性去除焦化废水中多环芳烃和杂环类化合物等疏水性污染物，并保留下苯酚和苯胺等易生物降解碳源物质，从而改善了焦化废水的整体水质。靶向吸附材料表面的非π~π吸附机制是更强的疏水性选择吸附能力的关键。（2）除了靶向吸附，还对焦化废水中重要的无机污染物——氰化物的去除与废水可生化性的关系进行了研究。以常用的硫酸亚铁法为例，亚铁与焦化废水的反应可分为两个阶段：第一阶段的反应机制为S2-的沉淀、游离氰（CN-）的配位、大分子有机物和胶体的絮凝过程，这一过程B/C值由0.30提高到0.51。第二阶段的反应机制为总氰化物的去除，由于大量亚铁离子的抑制性，B/C值回降至0.35。氰化物去除实验表明有效去除毒性最高的CN-可以显著提高焦化废水可生化性。上述研究结果表明，对焦化废水中典型毒性成分进行靶向预处理，是提高废水可生化性的一种重要有效手段，这一技术与传统预处理技术追求去除量的思路不同，通过对重点污染物的去除而提高废水的生化性，在类似难降解工业废水处理中值得进一步研究。