强化混凝去除水体中锰(Ⅱ)与DOM的研究

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随着金属锰矿山的开采、冶炼、尾矿堆积,大量重金属离子通过水力侵蚀、风蚀、渗流等途径进入矿区周边地表及地下水体,对其周边水环境造成严重污染。由于水体中广泛存在着溶解性有机物(DOM),DOM中的组分主要是腐殖酸(HA)和富里酸(FA),其易与进入水体中的Mn(Ⅱ)通过络合或螯合作用,形成毒性更大的Mn-DOM有机结合态配合物。水体中Mn(Ⅱ)、DOM及Mn-DOM复合污染物的治理成为水环境治理的一大难题。目前有研究表明,铁基类无机混凝剂对水中DOM有较好去除效果,而基与实验室前期制备的能有效去除水中Mn(Ⅱ)的有机混凝剂聚丙烯酰胺-谷胱甘肽(PAM-GSH),本研究合成出一种能对水中Mn(Ⅱ)与DOM有较好去除效果的有机-无机复合混凝剂。以硫酸亚铁和硫酸铝为原料,通过浓硝酸将Fe(Ⅱ)氧化为Fe(Ⅲ),加入磷酸氢二钠作为稳定剂,经微波引发通过水浴反应制备了高分子无机混凝剂聚合硫酸铝铁(PAFS),考察了反应温度、铝铁摩尔比、磷铁摩尔比和碱化度对等条件对PAFS混凝性能的影响,得到了最优制备条件为微波引发时间5 min,反应温度60℃,合成时间2 h,Al/Fe摩尔比0.4,P/Fe摩尔比0.2,OH/(Fe+Al)摩尔比0.4。将在最优制备条件所得的产物用于水中腐殖酸的去除,当快搅速度为350rpm,快搅时间为3 min,慢搅速度为40 rpm,慢搅时间12 min,混凝剂投加量12.8 mg/L,pH为.08时,腐殖酸的去除率(以DOC计)最高达到81.0%。对优化条件下的PAFS与实验室前期制备的高分子混凝剂(PAM-GSH)按一定比例进行复合得到有机-无机复合混凝剂聚丙烯酰胺-谷胱甘肽-聚合硫酸铝铁(PAM-GSH-PAFS)。采用Fe-Ferron逐时络合比色法与紫外-可见光谱研究了复合混凝剂PAM-GSH-PAFS)有机组分含量(WP)、特性黏度(η)和无机组分碱化度(B)对混凝剂水解形态的影响。利用傅里叶红外光谱仪证明了有机组分PAM-GSH与无机组分PAFS间发生了化学作用,且在高分子链引入了强配位基团(-SH)。通过扫描电镜观察到复合混凝剂PAM-GSH-PAFS具有一定的空间立体结构,且粒径比无机混凝剂PAFS与有机混凝剂PAM-GSH更小,拥有更大的比表面积,对水中污染物有更好的吸附效果。通过观察复合混凝剂的X-射线衍射图谱,图谱中出现了一些新的晶体结构如AlFe2O4、Al0.67Fe0.33(PO4)、Fe2O(PO4)、Al18P18O72以及一些无定形态的晶体结构,进一步证实了有机组分与无机组分间不是简单的混合,而是通过复杂的化学反应生成了新的复杂聚合物。同时以Mn(Ⅱ)与DOM(腐殖酸,Humic Acid)的混凝水样为模拟水样,通过强化混凝研究了复合混凝剂PAM-GSH-PAFS对水中Mn(Ⅱ)与DOM的去除效果,考察了投加量、反应pH、锰离子浓度和DOM的浓度对复合混凝剂混凝性能的影响。结果表明:在Mn(Ⅱ)与DOM初始浓度均为10.0 mg/L,反应pH为7.0,投加量为300μL/L(以Fe2O3计,5.76mg/L),快搅速度为350 rpm,快搅时间为3min,慢搅速度为60 rpm,慢搅时间14 min的条件下,混凝剂对水中Mn(Ⅱ)与DOM的去除率最高分别达到63.5%和82.4%,混凝效果较单独投加无机混凝剂或有机物混凝剂有明显提升,且投加量大大降低。研究发现水中Mn(Ⅱ)与DOM存在相互作用机制,一定浓度的Mn(Ⅱ)存在能提高混凝剂对DOM的去除效果,当DOC浓度为15.0 mg/L时,Mn(Ⅱ)浓度为10.0 mg/L,水中Mn(Ⅱ)的去除率最高达到了87.5%。
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