【摘要】：控制飲用水中消毒副產(chǎn)物（DBPs）是飲用水水質(zhì)安全保障的重要環(huán)節(jié)。DBPs前體物的控制被認(rèn)為是最有效的DBPs控制方法�；炷夹g(shù)作為最經(jīng)濟(jì)的前體物控制技術(shù)，幾乎是所有水廠的必備工藝。但傳統(tǒng)的鐵、鋁等金屬鹽類混凝劑對DBPs前體物的控制效果不佳。自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，石墨烯就引起了科學(xué)界的研究熱潮。作為石墨烯制備過程中的中間體，氧化石墨烯（GO）由于其分子結(jié)構(gòu)中含有大量含氧官能團(tuán)，已被證實對多價金屬離子及部分有機(jī)物具有良好的吸附去除效果。GO在對高價態(tài)金屬離子的吸附時會發(fā)生團(tuán)聚，沉淀，這一現(xiàn)象與混凝劑的膠體脫穩(wěn)現(xiàn)象類似。在GO制備過程中，已用強(qiáng)氧化劑對其進(jìn)行了相對徹底的氧化，O3、Cl2、ClO2等常用消毒劑不會對其進(jìn)行進(jìn)一步氧化，即使在水中有殘留，也不會與消毒劑反應(yīng)產(chǎn)生DBPs。已有的毒理學(xué)研究表明，一定濃度下GO不會引起細(xì)胞毒性及遺傳毒性，是一種綠色材料。此外，在實驗室層面，GO的制備方法相對成熟，簡單，成本相對較低�；谏鲜鲈�，本研究提出采用GO作為混凝劑，在考察其絮體形成影響的基礎(chǔ)上，分別研究其對腐植酸配水、地表水、藻細(xì)胞及藻細(xì)胞胞外有機(jī)物的去除效率及相應(yīng)的DBPs控制效果。 本研究在采用密閉氧化法制備氧化石墨烯。經(jīng)表征分析，制得的氧化石墨烯呈透明網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)且具有明顯褶皺，分子結(jié)構(gòu)中碳氧原子質(zhì)量比為1.63。紅外分析顯示制得的氧化石墨烯中含有羥基、C=O鍵、C-O-C等含氧官能團(tuán)。 200-400mg/L鈣離子作用時，可以明顯觀察到GO絮體的產(chǎn)生。GO絮體的產(chǎn)生速率、大小及其沉降性能隨pH的升高而增強(qiáng)。相同離子濃度下，鉀、鈉、鎂離子作用產(chǎn)生的絮體大小及沉降性能不及鈣離子，鋁離子作用能產(chǎn)生更大更緊實的GO絮體。網(wǎng)捕作用是GO混凝去除有機(jī)物的主要作用，在pH5-9范圍內(nèi)GO對腐植酸均具有很好的去除效果。pH對GO去除腐植酸的影響較小，但對其去除地表水中有機(jī)物具有很大影響，pH≤5的條件下可獲得最佳的有機(jī)物去除效率。初始pH4-10的地表水經(jīng)GO處理后的pH穩(wěn)定在6.3-7.7之間，這與GO表面豐富的含氧官能團(tuán)有密切關(guān)系。經(jīng)GO處理后，水樣的SUVA值略微降低，說明GO對水樣中腐植酸類，疏水性，大分子有機(jī)物去除較親水性，小分子有機(jī)物的去除能力強(qiáng)。GO能夠有效去除水體中DBPs尤其是鹵乙酸的前體物，最多能夠降低86.5%的三氯乙酸前體物。三維熒光分析表明GO混凝對腐植酸及富里酸類物質(zhì)具有很好的去除效果，但對蛋白質(zhì)類物質(zhì)的去除效果不佳。 藻類的控制近年來一直是飲用水水質(zhì)安全保障的重要課題。傳統(tǒng)的金屬鹽類混凝劑對藻類的控制效果不甚理想，以臭氧為代表的預(yù)氧化則會破壞藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)釋放藻毒素等有機(jī)物。本研究采用GO混凝控藻，實驗結(jié)果表明，，GO對藻細(xì)胞有很強(qiáng)的網(wǎng)捕能力。在酸性及中性條件下，40mg/L的GO即可實現(xiàn)對葉綠素a的完全去除，對UV254的去除效率也可達(dá)到98.3%，消毒副產(chǎn)物前體物減少了97.5%-100%。堿性條件下GO與藻細(xì)胞間靜電斥力增大，控藻效率明顯降低，當(dāng)pH=10時，對葉綠素a、濁度、DOC、UV254的去除率分別降低到13.8%、17.7%、42.1%、30.8%。硅藻土的投加不會使GO控藻效率發(fā)生變化，但會明顯增強(qiáng)絮體的沉降性能，縮短沉降時間，減少絮凝污泥量。GO混凝沉淀對組成藻類胞外有機(jī)物（EOM）的有機(jī)物也有很好的去除效果，pH＜6時，TOC的去除率能達(dá)到61%。GO混凝能夠有效去除EOM中消毒副產(chǎn)物尤其是鹵乙酸的前體物，不添加溴離子時，最多能夠降低90.1%的一氯乙酸前體物，溴離子存在條件下，能夠使三氯乙酸前體物降低91.0%。進(jìn)一步的分析表明，GO混凝對EOM中含苯環(huán)結(jié)構(gòu)，類腐植酸類物質(zhì)及含C=C雙鍵和C=O雙鍵的芳香族化合物具有一定的去除效果。此外，GO對EOM中的親水性、大分子有機(jī)物的去除能力較疏水性、小分子物質(zhì)去除能力強(qiáng)。 對DBPs的終端控制是DBPs控制最直接的方式。本論文分別采用超聲，石英砂及二者的聯(lián)合作用對17種常見DBPs進(jìn)行去除研究。結(jié)果表明，20kHz超聲對logKow＞1.97的6種DBPs具有超過20%的降解效果，但其降解速率與logKow沒有明顯關(guān)系。KH及蒸汽壓不是影響超聲降解速率的主要因素，但在同類物質(zhì)之間超聲降解效率與物質(zhì)的KH及蒸汽壓呈正相關(guān)關(guān)系。官能團(tuán)對物質(zhì)的超聲降解特性有重要影響，分子結(jié)構(gòu)中含有硝基官能團(tuán)更容易被超聲降解，其次為含腈基官能團(tuán)的化合物，超聲對羰基和羥基的作用效果不甚明顯。石英砂對17種DBPs中的9種具有12-80%的吸附效果。超聲石英砂的聯(lián)合作用對除鹵乙酸外的12種DBPs均能達(dá)到50%以上的去除效果，其中對三氯硝基甲烷能實現(xiàn)100%去除。超聲石英砂聯(lián)合作用一方面增強(qiáng)了超聲的空化作用效率，另一方面超聲的存在加速了DBPs分子的傳質(zhì)速率，提高了石英砂對DBPs的吸附效率。此外，經(jīng)超聲或超聲/石英砂處理后，溶液pH值略微降低，但都滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求。三種處理方式下，除對DBPs有一定的去除效果外，對水中溶解性非DBPs有機(jī)物也具有一定的去除能力。
【學(xué)位授予單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TU991.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2565607