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本文选用我国南方地区广泛分布的红壤作为吸附材料处理含砷水,通过静态吸附平衡实验,研究砷在红壤中的吸附-解吸行为以及各因素对吸附的影响,并较为系统的探讨了红壤对砷的吸附机理。该研究为饮用水水源砷污染超标的处理工艺设计提供了理论指导,并可为其他污染水如隔、铬和生活污水等的处理研究提供借鉴,具有极强的现实意义。另外,以土壤为吸附材料,取村比较方便,处理成本低廉,设计的处理工艺适合在农村分散式取水地区使用和推广。
本文研究内容如下:
1、研究初始溶液As(Ⅴ)浓度、反应时间、体系pH值、反应温度以及共存阴离子等单因素条件对红壤吸附砷的影响,并通过L16(44)正交试验考察综合因素影响下的吸附效果。
2、对体系进行吸附动力学研究。研究初始溶液As(Ⅴ)浓度、体系pH及反应温度对吸附动力学的影响,并通过各因素下动力学模型数值模拟探讨吸附机理与模式。
3、对体系进行吸附热力学研究。对不同温度、不同初始浓度下的吸附实验结果进行等温吸附模型模拟,进一步探讨吸附机理;并对吸附做热力学分析,研究其热力学效应。
4、对吸附后的土壤做解吸实验研究,考察砷在土壤中的稳定性及迁移规律。分析影响解吸的因素,并对砷在土壤中的解吸行为进行动力学研究。
本文结论主要有:
1、影响因素研究。红壤对砷的吸附与初始溶液砷浓度、接触时间、体系pH值、反应温度及共存离子等有关,四因素对吸附影响大小顺序为:体系pH值>接触时间>初始溶液砷浓度>反应温度。吸附剂对砷的去除率随着初始浓度的增大逐渐降低;在反应初期土壤吸附率迅速增大,随着时间的延长增幅下降并逐渐趋于吸附平衡;体系pH值对红壤吸附砷的影响较大,吸附率随着体系pH值的增大总体呈减少趋势;温度对吸附有促进作用,土壤材料对砷的吸附量随着温度的升高逐渐增加;H2PO3-、SiO33-的存在明显抑制土壤对砷的吸附,SO42-添加浓度增大到一定程度才对砷吸附有促进作用,HCO3-离子的添加使土壤对砷的吸附率逐渐增加,而Cl-、NO3-对砷的去除率没有显著影响。
2、吸附动力学及热力学研究。砷在红壤中的吸附用Langmuir吸附模型拟合效果最好,计算出的土壤最大吸附容量为1250mg·kg-1,Langmuir吸附模型分离因子0<RL<1,表明土壤对砷的吸附为优惠吸附;由Freundlich吸附模型计算0.1<1/n<0.5,说明砷酸根离子在土壤表面易被吸附;吸附自由能变ΔG<0,说明吸附反应能自发进行,吸附焓变ΔH>0,表明土壤对砷的吸附是吸热反应,吸附熵变ΔS>0,说明土壤吸附砷的过程中还伴随着砷的解吸,另外可能是砷酸根进入吸附点位交换下了更活泼的离子,或者是由于吸附水分子的置换所引起的熵的增加大于离子吸附所引起的熵值降低。通过对红壤吸附砷的热力学研究,初步得出吸附是包括物理吸附和化学吸附的复杂过程。动力学实验结果表明红壤对砷的吸附过程遵循Lagrange二级动力学模式,吸附过程除了颗粒间扩散还有其它步骤控制。
3、解吸行为研究。土壤中吸附态砷的解吸行为研究表明,砷在土壤中的吸附行为是专性吸附与非专性吸附共存的过程。随着土壤中吸附态砷的含量增大,易解吸的砷占总砷吸附量的比例也随之增大;砷的解吸随时间变化趋势为:反应开始阶段,土壤中吸附态砷的解吸迅速,随着解吸时间的延长,解吸量逐渐趋于平缓;当pH<7时,解吸量随pH的增大先有一个缓慢增加的过程,之后增加幅度交大,pH>7时,解吸量趋于平缓。