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近年来,我国水环境重金属污染事件频发,对我国生态安全、国家经济有一定影响,也是人民饮用水安全保障的重要隐患。在国家《重金属污染综合防治“十二五”规划》中对重金属污染综合防治提出了具体要求。国家《生活饮用水卫生标准》对水中重金属有严格规定,铊(Tl)因毒性巨大,饮用水中允许浓度最低。在水处理中,高锰酸钾(KMn O4)还原或溶解态锰的氧化,均会生成纳米二氧化锰(n Mn O2)。锰氧化物表面羟基较多,负电荷官能团量较大,对阳离子性重金属具有较好的吸附性能。纳米材料尺寸很小,比表面积巨大,活性位较多,反应活性很大,因此n Mn O2可能具有良好的吸附。而在实际水处理中,纳米材料也会出现凝聚现象,对其去除重金属的性能也也可能有影响。本文研究了n Mn O2吸附氧化水中重金属Tl的性能;并利用时间分辨动态光散射法(time-resolved dynamic light scattering,TR-DLS)研究了水中n Mn O2凝聚动力学和还原引发n Mn O2凝聚和/或溶解的动力学;还考察了n Mn O2强化常规工艺去除水中痕量Tl的效果和机理。通过考察n Mn O2对水中常量Tl的吸附,评价n Mn O2对Tl(I)的吸附性能。在15min内,n Mn O2对Tl的吸附即达到平衡,最大吸附量很大,达672 mg(Tl)/g(Mn O2)。竞争性阳离子对n Mn O2吸附Tl(I)与阳离子的价态有关,Ca(II)和Mg(II)一定程度上抑制了Tl(I)的吸附,而100m M Na(I)对吸附几乎没有作用。络合性阴离子对Tl(I)的影响与Tl(I)初始浓度有关,Tl(I)初始浓度较低时络合性阴离子没有影响,而初始Tl(I)浓度较高会降低Tl(I)的吸附。随p H的升高,n Mn O2吸附Tl(I)的容量增大。当p H为4.0时,n Mn O2能氧化Tl(I),同时,生成的Mn(II)和Tl(III)会促使n Mn O2凝聚,;相反,在p H7.0和p H9.0条件下,Tl(I)在n Mn O2上的吸附量较大,并不发生氧化还原反应。水中的腐殖酸降低p H4.0-9.0范围内,n Mn O2对Tl的吸附,增加了酸性条件下n Mn O2的凝聚稳定性。n Mn O2在溶液中的凝聚动力学表现出经典DLVO类型的相互作用。基于经典DLVO理论拟合计算,得出n Mn O2的Hamaker常数为7.84×10-20J。n Mn O2在一价和二价电解质中凝聚的临界凝聚浓度符合舒尔策-哈迪规则,分别为28m M Na NO3、0.8m M Mg(NO3)2和0.45m M Ca(NO3)2。有机物与n Mn O2的相互作用较为复杂,对n Mn O2凝聚动力学影响也不尽相同。这些有机物阻止作用主要通过吸附在n Mn O2表面,增加n Mn O2颗粒间的空间位阻作用。腐殖质和生物大分子能高效地阻止n Mn O2凝聚,牛血清蛋白(BSA)阻止n Mn O2凝聚能力最强,依次是河水腐殖酸(SRHA)、土壤腐殖酸(SHA)、海藻酸钠、河水富里酸(SRFA)。根据大岛软粒子理论与EPM实验检测数据拟合计算,得出的大分子有机物吸附层的厚度与凝聚动力学实验结果一致,证实了空间位阻是增加n Mn O2凝聚稳定性的主要原因。表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮和十二烷基磺酸钠存在时n Mn O2凝聚稳定性变化不大。水中的有机物含有各种官能团,因此研究了代表性官能团与n Mn O2相互作用导致n Mn O2凝聚和/或溶解。X射线光电子能谱(XPS)分析证实外源Mn(II)高效引发n Mn O2凝聚主要得益于其吸附在n Mn O2表面,降低静电吸附作用,而没有发生氧化还原反应。利用TR-DLS研究不同官能团在还原n Mn O2生成Mn(II)引发n Mn O2凝聚和/或溶解的能力。有机物存在时,还原作用引发n Mn O2凝聚的动力学分为三个阶段:Mn(II)积累;加速凝聚;凝聚体沉淀。有机物结构对其在使n Mn O2凝聚和/或溶解方面有重要影响。与n Mn O2还原反应活性大的有机物引发n Mn O2凝聚的能力强;相反,有机物与还原态Mn(II)的络合能力越强,n Mn O2溶解越多,两种作用综合决定n Mn O2凝聚和/或溶解。有机物浓度越高,n Mn O2凝聚和/或溶解的速度越快。另外,溶液p H升高,降低了有机物和n Mn O2反应活性,进而降低还原引发n Mn O2凝聚和/或溶解的速度。柠檬酸对n Mn O2具有自催化溶解能力,且随p H升高和柠檬酸浓度降低自催化溶解速度降低。单独硫酸铝混凝或石英砂过滤均不能去除痕量Tl,n Mn O2强化能有效去除水中Tl。随n Mn O2投量增加,强化混凝去除痕量Tl效果越显著。由于Tl浓度很低,Tl价态和水体p H值对强化混凝去除痕量Tl的效果没有显著影响。不同水质背景下,Ca(II)和腐殖酸的影响不尽相同。不同n Mn O2投量下,运行一段时间之后,均能去除水中痕量Tl(I)。Tl(III)的强化过滤去除效果比Tl(I)差,这可能是由于Tl(III)具有更好的络合性能。Ca(II)和腐殖酸的浓度增加均抑制了Tl的强化过滤去除。在SRHA存在时,观察到大量溶解态锰,这可能是由于Mn的还原溶解导致。