水体中TiO2纳米颗粒的分散稳定性与常规工艺去除效果研究

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TiO2纳米颗粒(NPs,nanoparticles)因具有独特的光催化、光电及优良的吸收紫外线等功能而被广泛应用于多个领域中。然而,纳米颗粒会通过直接或间接的方式释放到多种环境介质中,TiO2纳米颗粒经过在各环境介质中的迁移转化最终会进入到地表水环境中,水环境的有机物、离子强度及pH等因素会影响纳米粒子在水中的分散稳定性并进一步影响其毒性,对人类和生态环境造成不可预计的潜在危害。因此,本课题研究了天然水体中TiO2纳米颗粒的分散稳定性及常规给水处理工艺去除效果,考察了天然水体的pH、LAS及超声处理对水环境中TiO2纳米颗粒分散稳定性的影响,并进一步探讨了混凝影响因素水力条件、沉淀时间、混凝剂投加量及水体pH对天然水体中TiO2纳米颗粒去除效果的影响,还探究了滤速对过滤单元TiO2纳米颗粒的截留效果的影响。研究天然水体中TiO2纳米颗粒的分散稳定性及常规工艺去除效果为了解水环境中TiO2纳米颗粒的迁移转化规律提供参考依据,也为保障饮用水安全方面提供了依据。论文对TiO2纳米颗粒的形貌特点及零电荷点进行表征,得到纳米TiO2的零电荷点为5.6。天然水体中纳米TiO2的分散稳定性研究结果表明:不同浓度的LAS对TiO2纳米颗粒的粒径分布产生的效果不同,两者呈不甚明显的负相关关系;pH大小会影响TiO2纳米粒子表面电荷的数量和性质而影响其Zeta电位值,当pH值沿着大于及小于零电荷点的方向增加,TiO2纳米粒子的Zeta电位绝对值均增大;适当的超声处理会因超声波的空化作用会改善TiO2纳米粒子在水中的团聚现象,但较长的的超声时间反而使TiO2纳米粒子因获得超声波能量而重新团聚,本研究中TiO2储备液在超声条件为250W、10min时处于最佳分散状态。常规给水处理工艺的混凝单元在去除天然水体中不同浓度纳米TiO2、浊度时均存在最佳且相同的混凝剂投量、最优的水力条件,且在一定范围内去除效果随着水体中纳米TiO2浓度的增大而提高。在同一混凝条件下,浊度与TiO2纳米颗粒的去除规律非常相近,水体中不同浓度纳米TiO2、浊度的最大去除率均达到95.0%99.0%的范围内;水力条件对纳米颗粒的有效去除有较为明显的影响,将水力条件控制为快速搅拌为250r/min、1min,慢速搅拌为100r/min、20min时为最优;TiO2纳米颗粒及浊度的去除率随着沉淀时间的增加而增加,且到达到某一时间点后随着沉淀时间的延长而呈稳定态势;pH对浊度的去除效果影响较小,而对TiO2纳米颗粒的Zeta电位及去除效果有明显影响,调节pH使不同条件下纳米TiO2的Zeta电位位于-5mV0mV的范围内可进一步提高混凝效果。滤速对浊度及纳米TiO2颗粒的截留能力有着较为明显的影响,滤速越小则截留效果越好。混凝单元中混凝效果较差及较好两种情况下的出水在经过滤单元滤料对TiO2纳米颗粒的截留及浊度的去除都有明显影响,过滤出水均达标。但当水体中含较低浓度的TiO2纳米颗粒时截留效果不是很明显。对于较低浓度的纳米TiO2的去除,可以考虑结合深度处理工艺来确保出水安全性。
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