近年來,由于砷、銻礦物不斷開采冶煉及其化合物廣泛而不合理的利用,導致國內外區(qū)域性或流域性砷、銻污染水體事件頻發(fā)。因而有效治理砷、銻水體污染問題迫在眉睫。電絮凝技術因其具有易操作、可控性強、無需外加藥劑、處理效率高等優(yōu)勢在水處理領域中廣泛應用。本研究采用電絮凝技術去除廢水中的砷和銻,試圖從單因素分析與響應面優(yōu)化設計、電絮凝產物特性表征、吸附動力學與熱力學擬合及電絮凝體系數值模擬角度出發(fā),探討各因素對電絮凝處理效率的影響,研究電絮凝去除廢水中砷和銻的最優(yōu)化設計,探索砷和銻的去除機理及吸附行為,構建電絮凝體系中電場、流場和傳質過程模型,以期建立和完善電絮凝處理砷銻廢水的理論基礎。研究表明以鐵鋁復合電極為陽極的電絮凝技術可去除廢水中99%以上的砷和銻。電極采用單極串聯(lián)方式可獲得較低的過電位及較高的反應速率;增加電流密度可提高砷和銻的去除率;反應最佳pH范圍在5.0～7.0;當初始濃度增加時,若達到較好的處理效果,需延長反應時間;溶解氧的增加有利于As(Ⅲ)的去除,而對Sb(Ⅲ)的去除起一定的抑制作用;以NaCl為電解質可減少電能的消耗并取得相對較好的去除效果;NO3-、SO42-的存在幾乎不影響砷和銻的去除,但PO43-會與砷和銻競爭吸附位點,導致去除率降低,且隨P043-濃度的增加抑制作用越顯著。響應面設計研究表明曝氣量和反應時間對砷去除率具有顯著性影響,電流密度、pH和反應時間對銻去除率具有顯著性影響。模型預測砷、銻廢水的最佳反應條件分別為:電流密度13.19 A/m2、pH 7.0、曝氣量0.32 L/min、反應時間20 min;電流密度28.67 A/m2、pH 5.24、初始濃度790.13μg/L、反應時間89.17 min,并通過實驗驗證。實驗對錫礦山附近實際廢水進行處理,砷和銻去除率均超過99%。電絮凝過程中砷、銻去除機理及其吸附行為研究表明在溶解氧環(huán)境中,As(Ⅲ)的氧化機制與活性中間體Fe(Ⅳ)有關。采用兩階段反應(石墨陽極反應+鐵陽極反應)可將As(Ⅲ)有效轉化為易去除的As(V),同時減少了反應時間。鐵陽極-銅陰極電絮凝過程實現(xiàn)了 Sb(V)的有效還原,提高了總銻的去除率。通過ESEM/EDS、FTIR、XRD及XPS對電絮凝產物的表征可知,電絮凝產物具有微米級別的微晶體結構,Al(Ⅲ)的加入引起Fe(Ⅲ)氧化物/氫氧化物的晶格膨脹,增加了比表面積及其活性。產物物相組成主要為Al(OH)3、AIOOH、Fe304/Fe203、γ-[FeO(OH)]等鐵/鋁的氧化物/氫氧化物/羥基絡合物,尚未發(fā)現(xiàn)砷酸鐵、砷酸鋁、銻酸鐵等沉淀,表明吸附作用是基于鐵鋁復合電極的電絮凝技術處理低濃度砷銻廢水的主要機理。根據吸附動力學、等溫吸附模型及熱力學擬合可知,該吸附過程是以化學吸附為主的單分子層吸附,溫度升高有利于吸附過程的進行。電絮凝體系數值模擬研究結果表明在序批式電絮凝反應器中,改變極板間距d或陽極兩端各加1 cm絕緣層均可有效改善反應器中的一次電流分布;采用電極構型2,d=3cm可獲得更加均勻的一次電流分布,電極電流效率提高。在連續(xù)流反應器中,增加流速使停留時間分布曲線拖尾減小,峰形右移,減少停滯區(qū)的產生,使傳質效率增加。但流速過高不利于絮體的生成及其與污染物間的有效結合。傳質過程模擬表明當反應時間為5 min時,反應器內電解/水解速率大于傳質速率,故Fe2+主要分布在陽極區(qū)域,OH-主要分布在陰極區(qū)域,Fe(OH)2主要分布在兩電極中間。當反應時間為15 min時,在電遷移、擴散及對流作用下,Fe2+與OH-接觸面積增大,反應器內Fe(OH)2分布增加,Fe2+和OH-濃度在出口處最小。Fe(OH)+濃度及其分布不受反應時間的影響,且一旦產生立即進入下一步的水解反應。綜上所述,本研究為電絮凝技術處理砷銻廢水操作參數的選擇與反應器的優(yōu)化提供了一定的理論基礎,進一步建立和完善了電絮凝處理砷銻廢水的反應機理,對解決目前日益嚴重的砷銻水體污染問題具有重要的意義。
【學位單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：X703
【部分圖文】：

砷在水環(huán)境中的存在形式與溶液的ｐＨ和氧化還原電位Ｅｈ有關，在較低ｐＨ逡逑和溫和還原條件（＞１００邋ｍＶ）下，Ａｓ（ＩＩＩ）是熱力學穩(wěn)定形態(tài)；而在氧化條件下，逡逑Ａｓ（Ｖ）是主要的存在形態(tài)。如圖１．１所示，當溶液處于酸性條件時，砷主要以逡逑Ｈ２ＡｓＣＶ離子形態(tài)存在；當溶液為堿性時，砷主要以ＨＡｓ０４２？離子形態(tài)存在。而中逡逑－１－逡逑

常溫下銻在水和空氣中都比較穩(wěn)定，不與稀酸作用，但可以與強氧化性酸如逡逑熱濃硫酸、硝酸和王水等反應。在高溫條件下，還可以與許多非金屬作用，主耍逡逑反應產物如圖１．２所示［４＿５１。逡逑（Ｓｂ＾ｓＴ＾）邋－邋0逡逑一：逡逑ｙ逡逑（＾ＳｂＦｙＳｂＦ＾邋（ＳＫ＇）逡逑圖１．２銻的反應及其產物逡逑Ｆｉｇ．邋１．２Ａｎｔｉｍｏｎｙ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｉｔｓ邋ｐｒｏｄｕｃｔｓ逡逑銻在自然界中主要以Ｓｂ３＋、Ｓｂ５＋和Ｓｂ３？形式存在，負三價銻的氫化物毒性劇逡逑烈，在自然界中不穩(wěn)定，易氧化分解為金屬和水。而Ｓｂ（ＩＩＩ）和Ｓｂ（Ｖ）在弱酸至中逡逑性介質中易水解沉淀。在天然水中娣的濃度極低，平均約為０．２邋ｐｇ／Ｌ。常見的銻逡逑化合物包括銻的氧化物（Ｓｂ２０３和Ｓｂ２０５）、銻的鹵化物、銻的氫化物以及有機鎩逡逑化合物［＜５］。逡逑銻在水環(huán)境中的形態(tài)分布同樣與溶液的ｐＨ和氧化還原電位有關，如圖１．３逡逑所示ｍ。當處于氧化態(tài)電位時，銻主要以離子ＳｂＣＶ形態(tài)存在。當處于還原態(tài)電位逡逑－２－逡逑

常溫下銻在水和空氣中都比較穩(wěn)定，不與稀酸作用，但可以與強氧化性酸如逡逑熱濃硫酸、硝酸和王水等反應。在高溫條件下，還可以與許多非金屬作用，主耍逡逑反應產物如圖１．２所示［４＿５１。逡逑（Ｓｂ＾ｓＴ＾）邋－邋0逡逑一：逡逑ｙ逡逑（＾ＳｂＦｙＳｂＦ＾邋（ＳＫ＇）逡逑圖１．２銻的反應及其產物逡逑Ｆｉｇ．邋１．２Ａｎｔｉｍｏｎｙ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｉｔｓ邋ｐｒｏｄｕｃｔｓ逡逑銻在自然界中主要以Ｓｂ３＋、Ｓｂ５＋和Ｓｂ３？形式存在，負三價銻的氫化物毒性劇逡逑烈，在自然界中不穩(wěn)定，易氧化分解為金屬和水。而Ｓｂ（ＩＩＩ）和Ｓｂ（Ｖ）在弱酸至中逡逑性介質中易水解沉淀。在天然水中娣的濃度極低，平均約為０．２邋ｐｇ／Ｌ。常見的銻逡逑化合物包括銻的氧化物（Ｓｂ２０３和Ｓｂ２０５）、銻的鹵化物、銻的氫化物以及有機鎩逡逑化合物［＜５］。逡逑銻在水環(huán)境中的形態(tài)分布同樣與溶液的ｐＨ和氧化還原電位有關，如圖１．３逡逑所示ｍ。當處于氧化態(tài)電位時，銻主要以離子ＳｂＣＶ形態(tài)存在。當處于還原態(tài)電位逡逑－２－逡逑

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本文編號：2819694