还原性球形纤维素吸附剂对氯化消毒副产物的还原吸附机理研究

鉴于饮用水氯化消毒副产物（CDBPs）所带来的严重健康安全威胁及目前氯化消毒副产物去除方法、传统吸附材料吸附性能的局限性，本项目以球形纤维素珠体为骨架，通过化学修饰，引入还原性官能团，制备出还原性球形纤维素吸附剂，并将其应用于饮用水氯化消毒副产物，特别是二氯乙酸、三氯乙酸、三氯甲烷这三种物质的高效还原吸附去除。采用静态吸附法和动态吸附法相结合的方式，从因素效应着手，探讨在整个还原吸附过程中，吸附剂结构和物化性能的改变情况、氯化消毒副产物的迁移转化规律，并进行还原吸附动力学、热力学研究，掌握还原吸附过程中吸附速率、活化能、焓、熵、吉布斯自由能的变化情况及其与吸附质的关系，同时建立相关的数学模型，揭示还原吸附剂对饮用水氯化消毒副产物的还原吸附机理，为污染物质的高效还原吸附去除提供一定的理论指导。

鉴于饮用水氯化消毒副产物（CDBPs）的危害及其降解方法的局限性，本项目以球形纤维素珠体为骨架，通过化学修饰，引入还原性官能团，制备出系列还原性球形纤维素吸附剂（CMTA、GC-ZIN、MS-ZIM、ZVI-ASCB、ZVIN-ASCB），并将其应用于CDBPs（包括三氯乙酸TCAA、二氯乙酸DCAA、三氯甲烷TCM）的高效还原吸附去除，研究其还原吸附机理。研究结果表明：（1）CMTA的粒径主要分布在4.5～5.2 mm范围内，比表面积为339.4 m2/g，含有酰胺基和亚磺酸基，并以亚磺酸基对TCAA的还原脱氯作用为主；在溶液pH值为7，TCAA初始质量浓度为50 mg/L，反应时间为180 min，反应温度为30℃，氧化还原电位为-320 mV时，CMTA对TCAA的去除率为96.33%，平衡吸附容量为4.49 mg/g。（2）GC-ZIN的比表面积为288.7 m2/g，表面负载有零价铁镍；在溶液pH值为3，TCAA初始质量浓度为80 mg/L，反应时间为90 min，反应温度为30℃，氧化还原电位为-332 mV时，GC-ZIN对TCAA的去除率达99.67%，平衡吸附容量为12.02 mg/g。（3）MS-ZIM的粒径主要分布在1.2～1.6 mm的范围内，比表面积为358.2 m2/g，表面负载有零价铁和纳米氢氧化镁颗粒；在溶液初始pH值为6，DCAA初始质量浓度5 mg/L，吸附时间90 min，吸附温度为40℃，振荡速度为140 r/min，氧化还原电位为-300 mV时，MS-ZIM对DCAA的去除率为99.90%，平衡吸附容量为4.73 mg/g；去除过程符合Langmuir-Hinshelwood动力学模型，反应活化能为69.8 kJ/mol。（4）在吸附剂用量为5 g/L，TCM的初始质量浓度为36.7 mg/L，溶液pH值为3.1时，ZVI-ASCB对TCM的去除率最高，达84.4%，其去除过程符合准二级动力学模型。（5）ZVIN-ASCB能将TCAA和DCAA完全降解，降解过程符合准一级反应动力学；TCAA可先脱去一个氯离子生成DCAA，然后DCAA再进一步脱氯；TCAA也可一次性脱去两个或三个氯离子，直接生成氯乙酸或乙酸根。这说明ZVIN-ASCB对TCAA的降解不仅是一个逐步脱氯的过程，而且是逐级脱氯与多级脱氯相结合的过程。