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本论文在课题组前期研究的基础上,以水体中微量砷的深度净化与水质安全控制为研究目标,提出并系统优化了静态法制备载纳米氧化铁复合树脂(简称复合树脂,以D201-FeOOH表示)的新技术,系统研究了复合树脂除As(Ⅴ)的基本性能及潜在机理,并开发了以复合树脂强化吸附为核心的水体砷污染治理技术。论文研究结果表明:
(1)在复合树脂制备新技术方面,提出了“静态离子交换.原位沉积-热处理”这一静态法制备新技术,并优化了关键工艺参数。研究表明,在离子交换过程中,通过提高反应溶液中Fe3+和Cl-的初始浓度及溶液的介电常数,可有效提高复合树脂表面氧化铁的固载量,交换温度在290-313K范围内对所制备的复合树脂除As(V)性能影响不大;静态沉积较动态沉积更有利于纳米复合树脂的除As(V)性能;热处理前用乙醇溶液预处理较水更有利于提高复合树脂的除As(V)性能;复合树脂的热处理时间以4 h为佳。反应混合溶液通过适当补给Fe3+、Cl-后可循环利用。该制备技术在理论上可实现无废排放,是一种清洁的生产技术。
(2)对于单组分[As(V)]吸附体系,复合树脂的最佳除砷pH在中性范围,而对于双组分体系[As(V)-Cl-],复合树脂在pH3-7范围具有最佳除砷性能;在As(V)的初始浓度较低时(＜1mg/L),低氧化铁固载量的复合树脂净化效果较高固载树脂更好;当As(V)的初始浓度较高时(＞1mg/L),提高复合树脂氧化铁固载量有利于改善其除As(V)性能,但当氧化铁固载量达到一定值(15％,以Fe计)后,继续增加固载量反而导致其除As(V)性能下降。低氧化铁固载量的复合树脂具有最优的动力学性能。固定床吸附表明氧化铁固载量为15％(以Fe计)的复合树脂具有最佳的除As(Ⅴ)效果。
(3)复合树脂具有较强的耐酸、耐磨等稳定性,可以在pH＞3的环境下长期使用,没有颗粒物释放,固载的氧化铁长时间保持无定型状态;从吸附容量等指标看,其性能超过美国同类专利产品ArsenXnp。热力学分析表明,复合树脂对As(Ⅴ)的吸附为吸热反应;竞争性吸附研究表明,Cl-、SO42-对于复合树脂除As(Ⅴ)性能的影响较小,SiO32-次之,PO43-最大。连续5批次吸附.脱附实验表明,复合树脂具有稳定的除As(Ⅴ)性能,吸附饱和后可以高效再生循环使用,使用过程中复合材料的基本物理化学性质没有明显变化。复合树脂与As(Ⅴ)之间的作用主要包括静电作用和配位作用。溶液中的Cl-、SO42-对纳米复合树脂除As(Ⅴ)的影响主要通过静电作用,而PO43-、SiO32-的影响包括静电作用和配位作用。
(4)双组分吸附与预负载吸附研究表明,腐殖酸(HA)对复合树脂除As(Ⅴ)有一定竞争作用;含HA模拟As(Ⅴ)污染废水的柱吸附实验表明:在天然水环境下,HA的存在对复合树脂饱和吸附量的影响很小,但对吸附速率有一定程度的影响,吸附后的复合树脂可被NaOH-NaCl混合溶液有效再生与循环利用。
(5)开发了“Fe(Ⅲ)盐絮凝一载纳米氧化铁复合树脂吸附”技术处理阳宗海砷污染泉眼水。小试和中试研究均表明:原水浓度在10mg/L时,经处理后出水浓度低于10μg/L,达到了饮用水安全控制标准。