新生态铁混凝处理地下水中As(V)的效能及机理研究

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砷是地壳中最丰富的元素之一,广泛存在于土壤、沉积物、自然水体、空气和生命机体中。通常砷通过呼吸系统、消化系统或皮肤进入人体,引发一系列急性或慢性症状。随着人类活动的加剧,自然环境中砷的平衡受到影响,其浓度和分布在全球范围内均呈增大的趋势。水中的砷常用的去除方法包括生物法、吸附法、离子交换法、膜分离法及共沉淀法。铁盐混凝除砷工艺以其经济、稳定、高效的特点,吸引了大批研究者的关注。传统铁盐混凝剂除砷存在含砷污泥产量高,出水铁含量易超标、对水处理构筑物有强腐蚀性等缺点。本文系统地考察了不同操作条件下新生态铁与氯化铁的除砷效能,研究了新生态铁和氯化铁在混凝过程中的水解行为,并对新生态铁和氯化铁工艺的水解产物进行AFM、XRD、FTIR表征。结果表明,新生态铁和三氯化铁工艺的除As(V)效率随pH的增加而下降。pH=6-8时,新生态铁比FeCl3工艺的除As(V)效率高7-23%。FeCl2-H2O2工艺的最佳氧化剂/亚铁比例是H2O2/FeCl2=1:2,FeCl2-KMnO4工艺的最佳氧化剂/亚铁比例是KMnO4/FeCl2=1:3。在pH<7、混凝剂浓度低、初始As(V)浓度高时新生态铁较FeCl3工艺除As(V)优势更明显。通常FeCl2-H2O2较FeCl2-KMnO4除As(V)效果更为显著。新生态铁和氯化铁工艺通过增加铁盐的投加量,可以将As(V)处理至10μgL-1以下。在pH=6时,新生态铁和氯化铁工艺分别需要4、8mgL-1的混凝剂投加量将初始As(V)含量为1mgL-1处理至饮用水标准的要求。各工艺絮体的生长均可以分为两个阶段,即快速生长阶段和稳定阶段,相同条件下絮体生长速度和粒径尺寸由大到小顺序为FeCl3>FeCl2-KMnO4>FeCl2-H2O2。新生态铁工艺较小的絮体粒径拥有的较大的比表面积,较慢的生长速度利用其充分发挥内表面的除砷效能。慢搅阶段加入絮体破碎对各工艺尤其FeCl3工艺As(V)的去除起促进作用,在pH=6、7,絮体破碎施加时间越早对除As(V)促进作用越显著。絮体破碎一方面加快了传质过程,另一方面使得絮体内表面暴露出来以充分发挥其除砷性能。氧化剂分两次投加对新生态铁工艺除砷效率的促进作用,进一步说明了絮体的形成和成长速度在混凝除As(V)过程中的重要性。Zeta电位测定发现电中和作用不是除As(V)效果差异的主要原因。在pH=6-8时,新生态铁工艺中Fe(II)投加后迅速氧化,之后Fe盐在混合液中主要以Fe(III)存在。各工艺Fea的百分含量均在较低水平,范围在2.5-3.7%,而具有较强混凝活性的Feb各工艺差别较大,按含量从大到小顺序为FeCl2-KMnO4>FeCl2-H2O2>FeCl3,产生较多具有较强絮凝活性的Feb可能是新生态铁工艺除砷效能优于三氯化铁的原因之一。新生态铁和氯化铁水解产物的表面形貌不同,FeCl2-KMnO4工艺絮体表面起伏平缓,粗糙度小,整体呈棉絮状;FeCl3水解产生的絮体呈块状固体形态,表面落差大,粗糙度较小;FeCl2-H2O2产生的絮体粗糙度大,表面平缓,呈水沸状。絮体的XRD峰位少,峰位较宽,主要为无定形态或准晶体形态。FTIR研究发现,pH=7时,砷酸盐与铁盐羟基化合物发生了内层络合形成单齿络合物(FeO)AsO3-。
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