纳米TiO2改性沸石去除水体砷的研究

论文摘要

水体砷（As）污染是目前世界上许多国家所面临的重要环境和人类健康安全问题之一。砷广泛存在于地球环境中,人类的采矿冶炼以及化工生产等活动使越来越多的砷转移到人类可以接触到的水体中。砷在人体内富集,会导致皮肤病、皮肤癌和损害肝肾功能,严重的会致人死亡。有鉴于此,砷忆被世界卫生组织（WHO）列为致癌物质之一,美国和我国已经于2006年将饮用水的砷含量限制标准由50μg/L提高到了10μg/L。目前水体除砷技术主要有物理方法、化学方法和生物法三大类。这些传统的除砷技术去除砷的效率低下,成本较高,除砷周期长,而且很多技术实用性还达不到生产要求。本研究的目的是开发一种合适的TiO2改性沸石的方法工艺,并制得对水体砷吸附效率高、价格低廉、物化稳定性高、选择性好、操作简单的新型吸附材料。实验充分利用沸石良好的吸附性、离子交换性,以及纳米TiO2对水体砷良好的去除能力,并且采用批处理法开展各项实验,主要研究结果如下：1.四种天然沸石除砷效果的比较表明,天然沸石对水体砷的去除能力有限,在50m1模拟废水中投加沸石0.5g（固液比1：100）,吸附时间为90min,温度25℃,振荡转速为180r/min,砷浓度为200μg/L的条件下,对废水中的As（Ⅲ）和As（Ⅴ）的去除率仅在23.51%-31.76%之间,并且对As（Ⅴ）的去除率要略高于对As（Ⅲ）的去除率。四种沸石对As（Ⅲ）的去除率由大到小：温县>缙云>大冶>梁子湖,对As（Ⅴ）的去除率则是温县>缙云>梁子湖>大冶。研究发现,天然沸石中含有铁钛锰氧化物会提高其对砷的去除效果。2.实验从方法的可操作性、安全性和成本与效果方面比较了粉末混合、四氯化钛水解和钛酸丁酯水解三种不同的纳米Ti02改性方法,结果表明,钛酸丁酯溶胶-凝胶法是最合适的改性方法。实验另外制得了热改性沸石和Fe离子改性沸石（Zeo-Fe）,并且比较了纳米Ti02改性沸石（Zeo-Ti）与热改性沸石和Zeo-Fe对水体砷的去除效果。在相同条件下,热改性沸石对As（Ⅲ）和As（Ⅴ）的去除率分别为9.99%和13.92%,Zeo-Fe分别为54.97%和45.75%,Zeo-Ti分别为96.57%和96.79%。结果表明, Zeo-Ti对水体砷的去除效果最好。3.影响Zeo-Ti除砷效果的改性工艺条件包括TiO2负载量和煅烧温度。Zeo-Ti除砷的效果与TiO2负载量正相关,当TiO2负载量达到10%时,在相同条件下,对废水中As（Ⅲ）和As（Ⅴ）的去除率都达到了95%以上,去除效果显著。而300℃煅烧的Zeo-Ti除砷效果最佳,温度低于300℃和超过400℃条件下Zeo-Ti的除砷效果明显降低。4.改性显著提高了沸石对水体砷的吸附能力。改性后Zeo-Ti对As（Ⅲ）和As（Ⅴ）的饱和吸附容量分别达到7.64 mg/g和6.59mg/g,相比改性前的沸石提高了10.5倍和6.3倍。Freundlich吸附等温方程很好地拟合了Zeo-Ti对砷的吸附过程。5.采用批处理实验法研究了吸附时间、pH、温度、光照条件、投加量、共存离子等因素对Zeo-Ti除砷效果的影响。结果表明,投加量超过0.1 g、吸附时间达到90min后Zeo-Ti对水体砷的去除率超过了95%,处理水砷浓度可达到国家相关标准。并且,pH（4-10）、温度（10℃-40℃）、光照条件（有光/避光）的变化对其除砷影响不显著。6种共存离子中Mg2+、Ca2+、SO42-、NO3-离子对除砷效果无显著影响,另外,H2PO4-和SiO32-的浓度超过0.01mg/L以后,显著显著降低其除砷效果。6.用0.1mol/L的NaOH溶液对吸附砷饱和以后的Zeo-Ti材料进行解吸再生实验,结果显示其对As（Ⅴ）的解吸率能达92.36%,远好于对As（Ⅲ）的解吸率65.60%；并且其再生后同条件下对As（Ⅴ）的去除率仍可以达到87.79%,对As（Ⅲ）的去除率只有38.69%。7.对吸附砷前后的Zeo-Ti进行FT-IR图谱分析表明,Zeo-Ti可能通过As-O-Ti和As-O键共同对As（Ⅲ）和As（Ⅴ）形成吸附作用；XPS图谱的结果显示,As（Ⅲ）和As（Ⅴ）都是以各自的酸根形态吸附在Zeo-Ti上面。8.应用柱实验进行砷去除效果的研究表明,1吨改性沸石Zeo-Ti在1h最多可以处理60吨砷浓度为1mg/L的含砷废水使其达到饮用水含砷标准,可以处理150吨使其达到工业水排放标准。另外,纳米二氧化钛是常用的无毒无害的食品增白剂,应用于饮用水的处理无残留,不影响水化学成分。由此可见,Zeo-Ti在水体砷治理方面具有良好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1 前言
• 2 沸石在废水处理中的研究进展
• 2.1 沸石对污水中氨氮的去除
• 2.2 沸石对水体磷的去除
• 2.3 沸石对水体有机污染物的去除
• 2.4 沸石对水体污染重金属的去除
• 2.5 沸石对水体中氟的去除
• 2.6 沸石在废水处理中的应用前景
• 3 沸石改性方法的研究进展
• 3.1 沸石的结构改性方法
• 3.1.1 加热改性
• 3.1.2 酸碱改性
• 3.2 沸石的离子交换改性方法
• 3.3 沸石的表面改性方法
• 3.4 沸石的"固载"改性方法
• 3.5 存在的问题与展望
• 2在水体砷处理中的应用'>4 纳米TiO₂在水体砷处理中的应用
• 5 课题背景、内容、技术路线与意义
• 5.1 课题背景和意义
• 5.2 研究目的和研究内容
• 5.3 技术路线
• 第二章 四种天然沸石的性质及除砷效果研究
• 1 前言
• 2 材料和方法
• 2.1 供试材料
• 2.1.1 供试沸石
• 2.1.2 砷标准液
• 2.2 实验设计
• 2.2.1 研究指标
• 2.2.2 除砷效果实验
• 2.3 分析测定方法
• 2.3.1 X射线荧光光谱法（XRF）
• 2.3.2 X射线衍射光谱法（XRD）
• 2.3.3 比表面积测定（BET）
• 2.3.4 砷浓度测定-氢化物发生法
• 2.4 数据统计方法
• 3 结果与分析
• 3.1 四种沸石的性质表征
• 3.2 四种沸石除砷效果比较
• 4 讨论
• 5 小结
• 第三章 钛改性沸石（Zeo-Ti）制备工艺和性质表征
• 1 前言
• 2 材料与方法
• 2.1 供试材料
• 2.2 改性方法和工艺设计
• 2粉末改性沸石'>2.2.1 纳米TiO₂粉末改性沸石
• 2.2.2 四氯化钛改性沸石
• 2.2.3 钛酸丁酯改性沸石
• 2.2.4 加热改性
• 2.2.5 Fe离子改性
• 2.3 除砷效果实验及砷浓度测定方法
• 2.4 仪器分析方法
• 2.5 数据处理
• 3 结果与分析
• 2改性方法优选'>3.1 三种纳米TiO₂改性方法优选
• 3.2 三种改性沸石与天然沸石去除水体砷效果比较
• 2/沸石质量比对Zeo-Ti去除水体砷效果的影响'>3.3 TiO₂/沸石质量比对Zeo-Ti去除水体砷效果的影响
• 3.4 焙烧温度
• 4 讨论
• 5 小结
• 第四章 改性沸石的除砷效果、影响因子及机理
• 1 前言
• 2 材料与方法
• 2.1 供试材料
• 2.2 批处理实验设计
• 2.2.1 除砷效果实验
• 2.2.2 吸附动力学（吸附时间）、吸附等温实验
• 2.2.3 饱和吸附容量实验
• 2.2.4 投加量对Zeo-Ti去除砷的影响实验
• 2.2.5 pH对Zeo-Yi去除砷的影响实验
• 2.2.6 温度对Zeo-Ti去除砷的影响实验
• 2.2.7 光照对Zeo-Ti去除砷的影响实验
• 2.2.8 伴生离子对Zeo-Ti去除砷的影响实验
• 2.2.9 再生实验
• 2.2.10 机理研究
• 2.3 分析测定方法
• 2.3.1 砷浓度测定法-氢化物发生法
• 2.3.2 仪器分析方法
• 2.3.3 数据处理方法
• 3 结果与分析
• 3.1 吸附动力学、吸附等温曲线
• 3.2 去除效果及饱和吸附容量
• 3.3 投加量
• 3.4 pH
• 3.5 温度
• 3.6 光照条件
• 3.7 共存离子
• 3.8 再生实验结果
• 3.9 改性沸石除砷的机理
• 3.9.1 FT-IR红外光谱分析
• 3.9.2 XPS光电子能谱分析
• 4 讨论
• 5 小结
• 第五章 改性沸石去除水体砷的应用和评价
• 1 前言
• 2 材料与方法
• 2.1 供试材料
• 2.1.1 供试沸石
• 2.1.2 模拟含砷废水
• 2.1.3 吸附柱、蠕动泵
• 2.2 柱实验设计
• 2.3 分析测定方法
• 2.4 数据处理方法
• 3 结果与讨论
• 4 小结
• 第六章 总结与展望
• 1 研究特色与创新之处
• 2 主要研究结论
• 3 研究展望
• 参考文献
• 附录Ⅰ 攻读硕士学位期间待发表的论文
• 附录Ⅱ 攻读硕士学位期间取得的发明专利
• 致谢