五氯苯酚在黄土性土壤中的迁移转化及其废水治理研究

论文摘要

五氯苯酚（PCP）为优先污染物和持久性有机污染物，具有长期残留性、生物蓄积性、半挥发性和高毒性四个显著特点。黄土在我国北方地区广泛分布，以黄土为母质所形成的黄土性土壤是这些地区农、林、牧业、城市建设、工业的重要场地，因此研究五氯苯酚及其钠盐（PCP-Na）在黄土性土壤中的迁移转化及其治理方法，揭示五氯苯酚在黄土中的吸附、迁移规律，考察其对地下水的影响程度，寻找去除水体中五氯苯酚及其钠盐的方法及途径，对于评价PCP／PCP-Na的环境危害，减小对地下水的污染，保护地下水资源以及含氯酚废水的处理都具有十分重要的理论意义和实际应用价值。本文阐述了持久性有机污染物——五氯苯酚的结构、性质、来源及其危害；土壤及黄土性土壤的组成、结构、理化性质及水理性质。综述了五氯苯酚及其钠盐在土壤／沉积物中的吸附、迁移；含五氯苯酚及其钠盐污染废水治理等领域的国内外研究的最新进展。在此基础上，以西安黄土为例，采取静态与动态试验相结合的方法，研究了五氯苯酚在黄土性土壤中的吸附与解吸性能。试验测定吸附热力学和动力学曲线，确定平衡吸附热力学及动力学模型；通过计算吸附有关热力学状态函数，分析吸附及解吸机理；建立五氯苯酚在黄土性土壤中迁移转化的数学模型，试验测定模型参数，将五氯苯酚浓度分布的数学模型计算值和试验测定值进行对比，验证迁移转化数学模型的可靠性。同时，基于五氯苯酚及其钠盐污染废水的治理，研究对比了五氯酚钠在活性炭、HDX-8型大孔吸附树脂、D311A型阴离子交换树脂上的吸附与解吸性能，吸附的动力学、热力学模型与参数。并将Fe（Ⅱ）、Fe（Ⅲ）分别固载到LS-5000螯合树脂上，与H2O2一起构成异相Fenton试剂，进行五氯酚钠的Fenton试剂-光协同催化氧化降解研究，获得了降解五氯酚钠的最佳工艺条件，解决了Fenton试剂-光催化氧化降解过程中因Fe（Ⅲ）／Fe（Ⅱ）水解产生的光效率降低、五氯苯酚分析困难、在废水处理过程引入新的污染等问题，在此项研究的基础上设计了处理五氯苯酚废水的初步工艺流程。研究成果对黄土地区地下水的保护及五氯苯酚废水处理具有重要的理论及实际意义。主要研究结论：1．五氯苯酚在黄土性土壤中的吸附动力学符合Elovich方程和双常数方程；静态吸附量为53．9mg／kg，吸附速率为21．5mg／（kg．h）。2．五氯苯酚在黄土性土壤中的吸附为自发热力学放热过程；吸附作用力主要为氢键力；吸附等温线可用Freundlich方程和Langmuir方程描述。3．黄土性土壤对水溶性五氯酚钠滞留能力较差。五氯苯酚很容易穿过黄土，不可避免地对地下水造成污染。4．五氯苯酚（钠盐）在黄土性土壤中的迁移受到了水动力弥散、吸附／解吸的共同作用，降解作用的影响可忽略。其中吸附作用符合亨利线性模式q=KdC，试验测得吸附系数Kd=0．0847cm3／g；迟滞因子R=1．46；弥散系数D=0．00466m2／d。数学模型的计算结果与实验测定结果吻合较好，表明水动力弥散模型可较好地用来对五氯苯酚在黄土性土壤中的运移进行模拟。5．D311A型阴离子交换树脂对五氯苯酚吸附为离子交换作用，吸附速率快、吸附量大，解吸速率快，解吸率高，穿透慢，是吸附法治理含五氯苯酚（钠盐）废水的优选吸附剂。6．光照时间、过氧化氢浓度、载Fe（Ⅱ）／Fe（Ⅲ）螯合树脂用量、初始浓度等对五氯苯酚降解率都有影响。7．载Fe（Ⅱ）螯合树脂与H2O2构成的异相Fenton试剂光协同催化氧化降解五氯苯酚的最佳工艺条件为：0．2g载Fe（Ⅱ）螯合树脂+24μg／ml过氧化氢+16μg／ml五氯苯酚+150min紫外光照，在此条件下，五氯苯酚的降解率为94．2％。影响因素强度大小次序为：光照时间＞载Fe（Ⅱ）螯合树脂质量＞五氯苯酚初始浓度＞过氧化氢浓度。8．Na+、K+、Mg2+、Cl-、SO42-等50倍于五氯苯酚质量浓度时，对降解率几乎不产生影响，Zn2+、NH4+、NO3-等5倍于五氯苯酚质量浓度时，对降解率产生较大影响。9．Fe（Ⅱ）、Fe（Ⅲ）在五氯酚钠的光催化氧化降解过程中表现出一定的相似性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.1 五氯苯酚——环境优先污染物和持久性有机污染物
• 1.1.2 五氯苯酚的来源及其危害性
• 1.1.3 研究的目的及意义
• 1.2 相关研究综述
• 1.2.1 五氯苯酚及其钠盐在土壤/沉积物中的吸附、迁移研究进展
• 1.2.2 五氯苯酚及其钠盐化学、生物降解研究进展
• 1.2.3 吸附法治理含五氯苯酚及其钠盐废水研究进展
• 1.3 研究领域存在的问题与不足
• 1.4 主要研究内容与研究方法
• 1.4.1 本文主要研究内容
• 1.4.2 本文主要研究方法与研究路线
• 1.5 本章小结
• 第二章 有机污染物在土壤中的吸附及迁移转化的基本理论
• 2.1 土壤的结构和理化性质
• 2.1.1 土壤的结构和组成
• 2.1.2 土壤的物理性质
• 2.1.3 土壤的化学性质
• 2.2 黄土的特性
• 2.2.1 黄土的地层结构及理化成分
• 2.2.2 黄土的宏观及微观结构特征
• 2.2.3 黄土的物理性质和水理特性
• 2.3 有机污染物在土壤中的吸附机理
• 2.3.1 吸附模型
• 2.3.2 吸附/解吸机理
• 2.3.3 吸附过程中的分子间作用力
• 2.3.4 影响有机污染物吸附的因素
• 2.4 有机污染物在土壤中的迁移转化模型
• 2.4.1 有机污染物迁移数学模型的建立
• 2.4.2 有污染物迁移方程的解析解
• 2.5 本章小结
• 第三章 五氯苯酚在黄土性土壤中吸附与解吸的试验研究
• 3.1 试验部分
• 3.1.1 材料、试剂与仪器
• 3.1.2 五氯苯酚（钠盐）的分析方法——紫外分光光度法
• 3.1.3 试验方法
• 3.1.4 试验内容及目的
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 静态吸附
• 3.2.2 动态吸附与解吸
• 3.2.3 迟滞因子R
• 3.3 本章结论
• 第四章 五氯苯酚在黄土性土壤中迁移转化的研究
• 4.1 五氯苯酚在饱水土壤中的迁移转化模型
• 4.1.1 五氯苯酚迁移数学模型的建立
• 4.1.2 五氯苯酚迁移方程的解析解
• 4.1.3 根据弥散实验资料计算弥散系数
• 4.2 实验材料和方法
• 4.2.1 土样
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.3 五氯苯酚（钠盐）的分析方法——紫外分光光度法
• 4.3 实验结果与分析
• d的测定'>4.3.1 吸附系数K_d的测定
• 4.3.2 弥散实验及弥散系数
• 4.3.3 PCP-Na数学迁移模型及其解
• 4.3.4 数据分析与讨论
• 4.4 本章结论
• 第五章 树脂吸附法治理五氯苯酚废水的研究
• 5.1 试验部分
• 5.1.1 材料、试剂与仪器
• 5.1.2 五氯苯酚（钠盐）的分析方法——紫外分光光度法
• 5.1.3 试验方法
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 静态吸附与解吸
• 5.2.2 动态吸附与解吸
• 5.3 本章结论
• 第六章 五氯苯酚化学降解的研究
• 6.1 试验部分
• 6.1.1 材料、试剂与仪器
• 6.1.2 试验方法
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 单因素试验
• 6.2.2 正交试验
• 6.2.3 共存离子对 PCP-Na降解率的影响
• 6.3 五氯酚钠降解机理
• 6.3.1 铁离子的形态变化
• 6.3.2 三价铁与紫外光的作用
• 6.3.3 五氯酚钠光化学降解过程
• 6.4 五氯苯酚废水处理工艺初步设计
• 6.5 本章结论
• 第七章 结论与建议
• 7.1 重要研究成果及结论
• 7.2 存在的问题与建议
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 攻读博士学位期间取得的学术成果
• 攻读博士学位期间参与的主要科研项目
• 致谢