【摘要】：高鐵酸鉀具有氧化、消毒、絮凝、吸附以及助凝等多種水處理功能,在給水及污水處理領(lǐng)域具有重要的理論研究及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文開展了高鐵酸鉀的制備研究,并利用其氧化、吸附、絮凝等特性研究了對(duì)水中鉈的去除、對(duì)吲哚類污染物的氧化以及對(duì)污泥的破解效果及相關(guān)反應(yīng)機(jī)理,探討了利用高鐵酸鉀控制水體污染及處理污泥的可行性。首先基于文獻(xiàn)報(bào)道,優(yōu)化了高鐵酸鉀制備過程。通過將氫氧化鉀加入次氯酸鈉溶液的方法制備了堿性次氯酸根溶液。在氫氧化鉀投入量為9 mol/L,混合溫度為0℃的條件下可制得有效氯濃度為105 g/L的堿性次氯酸根溶液。通過調(diào)整反應(yīng)物比例、反應(yīng)溫度、鐵鹽種類、過濾、晶體洗滌等操作過程,在控制氧化劑與硫酸鐵的摩爾比例為4:1,20℃反應(yīng)60 min的條件下,可制得產(chǎn)率為67%的高鐵酸鉀溶液,經(jīng)結(jié)晶、過濾、洗滌等過程,最終可制得純度為90%的高鐵酸鉀固體粉末。由于水體鉈污染事件的頻發(fā)且水中痕量鉈的去除較為困難,本文系統(tǒng)地研究了高鐵酸鉀對(duì)水體中痕量鉈的去除效果及反應(yīng)機(jī)理。向溶液中投加2.5 mg/L高鐵酸鉀反應(yīng)5 min后,鉈去除率可達(dá)90%以上,殘留鉈濃度低于0.1μg/L,滿足我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)對(duì)水中鉈濃度的要求。水體p H值顯著影響高鐵酸鉀對(duì)鉈的去除。在中性及堿性條件下對(duì)鉈的去除效果較好,在酸性條件下對(duì)鉈的去除效果較差;溶液中共存離子如K+、Na+、Ca2+、Cl-及HCO3-對(duì)高鐵酸鉀除鉈無顯著影響,但腐殖酸(HA)可通過包覆高鐵酸鉀還原產(chǎn)物等過程抑制高鐵酸鉀對(duì)鉈的去除。研究反應(yīng)沉淀中鉈的脫附時(shí)發(fā)現(xiàn),增加體系內(nèi)離子濃度對(duì)鉈脫附無顯著影響;升高體系溫度可使10%的鉈從絮體沉淀中脫附;在堿性條件下,沉淀中鉈的穩(wěn)定性較強(qiáng),不易脫附;酸性條件可使沉淀中30%左右的鉈脫附;10 mg/L的鹽酸羥胺可溶解體系中的鐵氧化物沉淀并使60%的鉈脫附。基于上述結(jié)果,優(yōu)化了高鐵酸鉀除鉈的反應(yīng)條件,在高鐵酸鉀預(yù)氧化1 min,聚合氯化鋁絮凝20 min,沉淀20 min的條件下,可使水中總鉈去除率接近98%,且高鐵酸鉀預(yù)氧化聯(lián)合聚合氯化鋁絮凝在去除痕量鉈的同時(shí),可有效控制原水化學(xué)需氧量(COD)及濁度,并使水中殘留鐵離子及鋁離子濃度滿足相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。通過比較高鐵酸鉀原位及異位產(chǎn)生的鐵氧化物對(duì)水中痕量鉈的去除效果,結(jié)合掃描電子顯微鏡(SEM)、光電子能譜(XPS)、顆粒粒徑及鉈去除率等數(shù)據(jù)的分析結(jié)果,推測(cè)在高鐵酸鉀去除鉈的過程中,共沉淀作用和表面吸附作用共同影響原位形成的納米級(jí)鐵氧化物對(duì)鉈的去除。吲哚含有氮雜環(huán),在消毒過程中是潛在的亞硝胺類消毒副產(chǎn)物的前驅(qū)物。本文研究了高鐵酸鉀對(duì)水中微量吲哚的去除效果并分析了降解路徑。高鐵酸鉀氧化降解吲哚在酸性及中性條件下較為迅速,表面二級(jí)速率常數(shù)在弱酸性及中性條件下分別為692±26 M-1s-1和186±16M-1s-1。水體中背景物質(zhì)如鈣離子、鎂離子、氨基三乙酸和低濃度的乙二胺四乙酸(EDTA)可促進(jìn)高鐵酸鉀降解吲哚;焦磷酸鈉及高濃度的乙二胺四乙酸(EDTA)會(huì)抑制高鐵酸鉀對(duì)吲哚的去除;實(shí)際水體背景條件下高濃度(2.5μmol/L)及低濃度(0.5μmol/L)吲哚均可以被高鐵酸鉀有效去除。通過質(zhì)譜分析等手段鑒定了高鐵酸鉀與吲哚反應(yīng)的部分產(chǎn)物,并推測(cè)了高鐵酸鉀與吲哚的反應(yīng)機(jī)理。通過分析氧化產(chǎn)物的可生化性得出,低濃度的高鐵酸鉀([Fe(VI)]:[吲哚]6:1)氧化可降低吲哚降解產(chǎn)物的可生化性,高濃度的高鐵酸鉀([Fe(VI)]:[吲哚]6:1)氧化對(duì)吲哚降解產(chǎn)物的可生化性無顯著影響。研究了將制備高鐵酸鉀過程中產(chǎn)生的堿性高鐵酸鉀溶液直接用于污泥破解。該過程可避免制備高鐵酸鉀固體過程中的結(jié)晶、過濾、洗滌及干燥步驟,并利用高鐵酸鉀的強(qiáng)氧化性及堿的水解功能對(duì)污泥進(jìn)行破解。考察了高鐵酸鉀、堿及堿性高鐵酸鉀溶液對(duì)污泥的破解效果。高鐵酸鉀和堿分別作用于污泥時(shí),污泥的沉降和脫水性能均未得到顯著改善;采用堿性高鐵酸鉀溶液破解污泥時(shí),在700 mg Fe(VI)/L的劑量下可使污泥的沉降性能提高50%以上,并使污泥脫水性能增加7%。堿性高鐵酸鉀溶液或者堿處理污泥后,可使上清液中溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)、總有機(jī)碳(TOC)、總氮(TN)和總磷(TP)含量大幅度提高;單純使用高鐵酸鉀處理污泥時(shí),污泥中溶解性物質(zhì)增加幅度較小;通過掃描式電子顯微鏡(SEM)、熒光激發(fā)-發(fā)射矩陣光譜(EEM)、分子量分布分析發(fā)現(xiàn),堿性高鐵酸鉀作用于污泥時(shí),在破壞污泥絮體結(jié)構(gòu)、破解污泥細(xì)胞壁的同時(shí),可氧化降解污泥中的胞內(nèi)及胞外大分子物質(zhì);堿單獨(dú)處理污泥時(shí),對(duì)體系內(nèi)的有機(jī)物降解作用不明顯。同步測(cè)定了污泥破解過程中高鐵酸鉀濃度的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)在堿性高鐵酸鉀反應(yīng)體系中,堿的存在顯著地增加了高鐵酸鉀的有效作用濃度,并提高了原位產(chǎn)生的三價(jià)鐵鹽的凝聚和沉降性能,從而實(shí)現(xiàn)了污泥的高效減容、脫水目的。同時(shí),堿性高鐵酸鉀溶液處理污泥過程中除臭效果明顯。
【圖文】：

本研究的技術(shù)路線

向次氯酸鈉溶液中加入不同劑量的 KOH 后，所產(chǎn)生的溶液中有效氯濃度變化如圖 3-1 所示。圖3-1 氫氧化鉀加入量對(duì)溶液中有效氯濃度的影響Figure 3-1 The effect of KOH dosage on the concentration of available chlorine選擇有效氯濃度為 115 g/L 的次氯酸鈉溶液作為母溶液，首先可以看出 3 - 11mol/L 的氫氧化鉀的加入對(duì)次氯酸鈉母溶液中有效氯濃度的影響不是很大。當(dāng)向次氯酸鈉溶液中加入 3mol/L 的 KOH 時(shí)，，溶液中有效氯濃度約為 110g/L。當(dāng)向溶液中加入更多的 KOH 時(shí)，溶液中的有效氯濃度出現(xiàn)一定程度的下降，在 11mol/L 的氫氧化鉀加入時(shí)，有效氯濃度約為 90g/L，即：體系中加入一定量的 KOH 會(huì)導(dǎo)致溶液中 ClO-的分解(式 3-5)，致使有效氯濃度的降低。為了維持體系中含有較高濃度的有效氯，同時(shí)使溶液的堿性有利于高鐵酸鉀的產(chǎn)生，本文中一般選擇配制含有9 - 10 mol/L KOH 的堿性次氯酸鹽溶液。3ClO-= ClO3-+ 2Cl-(3-5)3.2.2 反應(yīng)溫度對(duì)溶液中有效氯濃度的影響KOH 通入次氯酸鈉溶液會(huì)放出大量的熱
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU991.2;X703

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2596316