【摘要】：在印染、焦化、制藥等工業(yè)廢水中,含有大量毒性、難降解有機污染物,這些物質(zhì)不僅會導(dǎo)致生物處理單元水力停留時間(HRT)的延長,有些惰性污染物還會由尾水進入到自然環(huán)境而造成更為嚴重的生態(tài)風(fēng)險。吸附是一種重要的廢水協(xié)同處理技術(shù),可以彌補生物技術(shù)在惰性和痕量有機物處理上的不足,實現(xiàn)毒性有機污染物的快速分離,并為徹底的分解與毀毒創(chuàng)造有利條件。 蛭石是一種天然的廉價粘土礦物,作為吸附劑具有明顯的成本優(yōu)勢,已被用于重金屬廢水的處理,但由于在層間電荷、元素組成等方面上的特殊性質(zhì),用其吸附有機物的研究較少。本文以開發(fā)蛭石作為有機污染物吸附材料為目的,通過材料表征、吸附實驗和理論模擬的方法,系統(tǒng)考察了蛭石系列吸附劑的吸附性能與機理,并針對蛭石的特性開發(fā)了新型改性方法,主要結(jié)果有: (1)天然蛭石的吸附能力與有機物的電荷密切相關(guān)。對于陽離子染料(亞甲基藍和結(jié)晶紫),天然蛭石通過離子交換作用將其富集到層間域內(nèi),室溫下的吸附量分別可達24.4 mg/g和25.2 mg/g,吸附反應(yīng)在2 h左右趨于平衡。亞甲基藍具有長度約為10 ?的直線型分子結(jié)構(gòu),吸附到蛭石表面后會占據(jù)更多的位點,受Fick定律的影響,當初始濃度超過80 mg/L后,“分子尺寸效應(yīng)”變得更為強烈,導(dǎo)致吸附量隨初始濃度的增加而降低,吸附等溫線向下彎曲。由于缺乏陰離子交換位點及表面親水性質(zhì),天然蛭石對陰離子染料(剛果紅)及酚類化合物(苯酚和鄰氯苯酚)的吸附能力較弱。 (2)以天然蛭石為無機載體,用“插層法”制備有機蛭石,利用XRD、FTIR、SEM等方法表征有機蛭石結(jié)構(gòu)性質(zhì)。吸附實驗結(jié)果表明:有機蛭石對剛果紅的吸附量由改性前的5.4 mg/g提高至175.4 mg/g,為粉末活性炭的1.6倍,陰離子交換是主要吸附機制。對苯酚和鄰氯苯酚的吸附量由2.5 mg/g和3.5 mg/g提高至49.3 mg/g和22.1 mg/g,表面疏水性吸附是主要的吸附機制。 (3)采用MP2/6-31g(d)的量子化學(xué)計算方法,對水溶液中有機物在有機蛭石上的吸附進行了分子模擬。根據(jù)計算結(jié)果,代表性化合物苯酚與不同碳鏈長度(2~6)改性劑的吸附能分別為:-62.64、-66.12、-67.79、-68.47和-70.06 kJ/mol,碳鏈長度增加雖然會增大吸附劑與吸附質(zhì)間的London色散力,但影響有機蛭石吸附能力的本質(zhì)因素為總有機負載量。五種不同親水性有機物:苯胺、苯酚、苯、甲苯和氯苯,其與烷基(戊烷)的吸附能分別為:-70.28、-68.47、-61.00、-74.97和-70.07 kJ/mol,其在水中溶解能為-40.13、-46.77、-17.29、-15.41和-19.11 kJ/mol,由此計算出液/固相分配能為:-46.17、-37.27、-57.92、-77.04和-67.36 kJ/mol,說明有機物的親水性是疏水性吸附過程的控制因子。 (4)針對“插層法”導(dǎo)致有機粘土比表面積低的不足,采用酸活化法提高天然蛭石的比表面積。在1、2、4、6 mol/L的H~+濃度下,蛭石的比表面積由原始的14.4 m~2/g分別提高至201.0、500.0、417.6和375.2 m~2/g,控制八面體陽離子的適量浸出是提高比表面積的關(guān)鍵。作為對比粘土,膨潤土和凹凸棒石酸化后的最大比表面積只有124.3 m~2/g和251.6 m~2/g,蛭石中較高的Fe元素含量在提高比表面積中發(fā)揮了關(guān)鍵的造孔作用。通過縮聚反應(yīng),將三甲基硅烷基團以共價鍵形式接枝到酸化蛭石表面,制得新型有機-無機吸附材料(記作TMAVs)。TMAVs的最大比表面積為355.4 m~2/g,超過傳統(tǒng)有機蛭石的50倍。以疏水性有機物鄰苯二甲酸二乙酯(DEP)為目標物進行吸附測試,DEP的吸附遵循液/固相分配模型,其最大分配系數(shù)(Kd)為有機蛭石的3.1倍,表現(xiàn)出良好的有機親和性。TMAVs對焦化廢水中有機物的吸附量達18 mg TOC·g~(-1),亦高于有機蛭石12 mg TOC·g~(-1)的吸附量。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：X13

【參考文獻】

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本文編號：2603573