电气石去除饮用水中卤族元素研究

论文摘要

我国是一个水资源缺乏的国家，近年来，许多地区的饮水都受到了不同程度的污染，且呈逐年加剧的趋势，水中的溶解性污染物如高氟、余氯、消毒副产物等对水质的影响日益引起人们的重视。然而目前除氟和除氯的方法比较少，并且都不同程度存在一些缺点，限制了其在实际中的应用。因而寻求一种高效的饮用水处理手段具有十分重要的意义。本文针对目前饮用水中普遍存在的高氟、氯化消毒副产物对人体产生的危害，利用产自内蒙古的黑电气石矿物为材料，进行饮用水除氟、除余氯研究。通过对热处理后电气石的静态条件实验,得到热处理电气石对氟和余氯的初步去除性能，并考察了不同因素对去除效果的影响。为提高电气石对氟和余氯的去除能力，对电气石进行了以亚铁为改性剂的载铁改性，确定了最佳改性条件,并测得载铁后的电气石对余氯和氟的去除能力都得到了显著提高。由于电气石颗粒过小，实际应用存在困难，我们对微米级的电气石颗粒进行了固定化，以静电纺丝法将电气石与聚丙烯腈溶液混合后制成具有亲水性和透水性的膜状材料，并确定了纺丝的最佳条件。最后对得到的电气石膜材料进行动态实验分析，测试其对氟和余氯的动态去除效果。研究成果主要有以下几点：（1）热处理电气石除氟静态实验结果表明,电气石最佳除氟条件为：电气石粒径5μm，热处理温度600℃，电气石用量为1g/100mL，溶液初始pH为4.3。热处理电气石除余氯实验结果显示：电气石粒径越小，其对余氯的去除能力就越强，最佳粒径为5μm；除余氯实验中电气石最佳热处理温度为200℃；电气石对余氯的吸附容量随溶液初始余氯浓度的升高而增大；pH对电气石除余氯效果影响并不明显。（2）通过对粒径5μm、200℃热处理后的电气石进行载铁改性有效提高了电气石对氟和余氯的去除能力。载铁电气石对余氯的最大去除率高于99%，处理后溶液中剩余的余氯浓度低于0.2mg/L。得到最佳改性条件为：改性液中亚铁浓度100mg/L，初始pH为7左右，改性时间为5h。电气石对余氯的吸附容量随溶液中余氯初始浓度的升高而增大，在实验所研究的浓度范围内电气石对余氯的吸附可近似用Langmuir等温方程来描述。反应时间为2h时载铁电气石对余氯的吸附即可达到平衡。（3）载铁电气石对氟的去除率高于90%，处理后氟离子浓度明显小于1mg/L，低于国家饮用水标准。对氟的吸附在2.5h达到平衡。在进行除氟、除余氯实验的同时检测溶液中亚铁及总铁的浓度，结果表明溶出铁浓度均明显低于国家饮用水标准，对饮水不造成二次污染。（4）通过扫描电镜及能谱分析载铁前后电气石形态及元素变化，分析推断电气石改性后表面均匀载有亚铁。（5）通过静电纺丝法将微米级电气石颗粒固定化，纺丝条件为：混合液流动速度为1.5mL/h，喷嘴与收集板间距离14cm，室内温度25℃、湿度20%，PAN浓度为16%，电气石与PAN溶液质量比为1:3。（6）将电气石膜材料装入有机玻璃柱进行动态除氟、除余氯实验，实验结果表明：随着流速的减小，吸附实验的穿透时间增长；原水余氯及氟离子浓度的增大导致动态实验的穿透时间缩短；在相同原水离子浓度、流速和不同膜材料高度的条件下，电气石膜材料厚度越小，吸附柱越先被穿透。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 高氟水的危害及处治
• 1.1.1 高氟水的来源及分部
• 1.1.2 高氟水对人体的危害
• 1.1.3 国内外高氟水研究现状
• 1.2 氯化消毒副产物的危害及处治
• 1.2.1 氯化消毒副产物的形成和种类
• 1.2.2 消毒副产物的危害
• 1.2.3 国内外除氯方法概述
• 1.3 电气石的性质及其在水处理中的应用
• 1.3.1 电气石的结构及其性能
• 1.3.2 电气石在水处理中的应用
• 1.4 本课题的研究意义及内容
• 1.4.1 研究意义
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 热处理电气石除氟、除余氯性能研究
• 2.1 实验材料及方法
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验方法
• 2.2 结果及讨论
• 2.2.1 热处理电气石除氟性能
• 2.2.2 电气石除余氯性能
• 2.3 本章小结
• 第三章 电气石的改性及其除氟除余氯性能研究
• 3.1 实验材料及方法
• 3.1.1 实验材料及设备
• 3.1.2 实验方法
• 3.2 结果及讨论
• 3.2.1 电气石改性最佳条件的确定
• 3.2.2 载铁电气石除氟实验
• 3.2.3 亚铁、总铁离子溶出实验
• 3.2.4 电气石载铁前后扫描电镜及能谱对比
• 3.3 本章小结
• 第四章 电气石固载及其动态实验研究
• 4.1 静电纺丝法固载电气石颗粒
• 4.1.1 实验装置及方法
• 4.1.2 实验结果及讨论
• 4.2 电气石膜材料除氟除余氯动态实验研究
• 4.2.1 实验装置与材料
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.3 实验结果及讨论
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 致谢