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    活性氧化鋁吸附水中砷的動態試驗研究
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    活性氧化鋁吸附水中砷的動態試驗研究

    2019-08-13      閱讀:
    近年來,飲用水砷污染事件層出不窮,選擇高效合適的除砷方法,已成為關注的問題.試驗采用逆流式單床吸附柱的吸附方式,對活性氧化鋁吸附砷做了動態試驗研究.研究結果顯示,當初始砷濃度為10mg/L時,砷的率均在90%以上;當初始砷濃度為 50mg/L時,以 5mg/L為穿透點,穿透體積為 110L,動態吸附量為3.43mgg.結果表明,在水中砷的方面,活性氧化鋁可作為一種有效吸附劑.該研究對實際應用中的活性氧化鋁改性及飲用水處理具有重要意義

    飲用水源除砷技術研究現狀
     
    目前常用的飲用水源除砷技術有混凝沉淀法、吸附法、離子交換法、生物法、電凝聚法、壓力膜技術等[11]吸附法主要是利用具有高比表面積、高效吸附性的固體不溶材料作吸附劑,然后通過物理或化學吸附作用及離子交換作用等機制將水中的砷污染物吸附在其表面上,從而達到除砷目的.目前,研究較多的除砷吸附劑有稀土與黏土材料、高嶺土與石英砂、骨炭、復合材料(鋁氧化物、含鐵含鋁礦物)、活性材料(活性炭、活性明礬等)、改性材料、納米材料、礦渣、負載和改性的離子交換樹脂等.新近應用的吸附劑有水合氧化鈦晶體與鈰鐵雙金屬氧化物,還有的研究者嘗試用水草(水葫蘆)等自然生長植物作為吸附劑.為了達到的吸附效果,研究者通過改性將吸附劑從單一的發展到復合的效率高的復合吸附劑.凌波等[12]對強化除砷凈水劑進行了除砷試驗,結果發現,這種以粉末活性碳和不同產地骨炭作骨架改性后加工而成的強化凈水劑除砷容量及除砷效率均比原材料高50倍,比市售除砷材料高10倍,砷性能專一,只水中的砷,不改變水中其他元素的組成和含量,對原水H 也無嚴格要求,可以使用簡法.另有很多新的吸附劑和吸附法除砷工藝正在發展中.SonerAltundan等[13]采用紅泥和膨潤土改性的方法提高砷的吸附容量,使五價砷的率達96.5%,三價砷的率達87.5%.袁濤等[14]采用新型吸附材料 ———涂鐵砂粒(IOCS)進行含砷飲用水處理,結果表明:IOCS無需處理,在接觸 30~60min時對砷達到大吸附.Sed等[15]利用稀土元素的氫氧化物對陰離子的高吸附容量的特性,開發研究了用堿式碳酸釔(BYC),用以飲水中三價砷和五價砷.以上兩種吸附劑均可使用,但率受原水砷價態和H 影響較大.
     
    由于鐵鋁氫氧化物具有良好的吸附陰陽離子的能力,以鐵或鋁氧化物為主要吸附成分的吸附劑的開發研制和應用得到了國內外的廣泛關注陳春寧等[16]采用零價鐵(Fe)處理含砷飲用水,對砷具有良好的吸附共沉淀作用.梁美娜等[17]制備了復合鐵鋁氫氧化物,該吸附劑在H5.0~9.0的較大范圍內,對五價砷吸附率均大于99.5%,處理后溶液中的砷殘余濃度達到世界衛生組織(WHO)嚴格限制的0.05m/L標準以下.此外,以鐵氧化物為主體,在制備過程中添加稀土元素等活性材料可以大幅度提高鐵氧化物的吸附性能張顯等[18]制備了一系列復合型稀土金屬鐵氧化物,對飲用水中砷的吸附性能進行比較,結果表明,缽復合吸附劑對砷的吸附性能較好.
     
    我國對于逆流式單床吸附方式的研究起步較晚,研究范圍較小,因此,該研究對于探尋適合我國現狀的除砷方式具有重要意義.試驗采用逆流式單床吸附柱的吸附方式,使用活性氧化鋁做吸附劑,對砷吸附做了動態試驗研究.

    試驗材料及方法
     
    2.1 試驗材料
     
    2.1.1 活性氧化鋁
     
    該試驗采用活性氧化鋁做吸附劑.活性氧化鋁是 Al(OH) 的熱解產物的總稱,是一種多孔性高分散度的固體物料,比表面積大,化學性質穩定,熱穩定性好.直徑為2~4mm 小顆粒,具備硬度高、磨損低、水浸不變軟、不膨脹、不粉化、不破裂等性質;靜態吸附量大于20m,磨耗率小于0.5%.將活性氧化鋁研磨過200目篩,用去離子水洗滌,于恒溫干燥箱內烘干,放在干燥器內備用.
     
    含砷水的配置
     
    試驗所用砷原水均為砷酸鈉配置的不同濃度的人工模擬含砷[As(V)]水.
     
    2.2 試法
     
    2.2.1 試驗裝置
     
    固定床吸附裝置是在圓筒形的柱體內填充上吸附劑而成.吸附時溶液穿過吸附層,吸附劑將溶液中吸附質吸附.根據水流的方向可分為順流式和逆流式兩種.根據處理水量、原水水質及處理要求,固定床可分為單床和多床吸附.當處理規模很小時,一般采用單床式.該試驗采用逆流式單床吸附柱
    活性氧化鋁吸附水中砷的動態試驗研究

    的吸附方式 [20]
    ,把活性氧化鋁吸附劑裝到吸附柱中,使其與含有吸附質的液體進行動態吸附.當含吸附組分的物質為液體時,用穿流吸附法,即含砷溶液通過吸附柱時,除砷材料不斷地吸附溶液中的砷.試驗裝置如圖1所示.
    2.2.2 試法
    室溫下 25度左右),用 259.27g 粒狀 氧化鋁填充玻璃柱,吸附劑高度約為17cm ,吸附柱底部放置布水板,目的是使水流均勻通過吸附柱,吸附柱頂部用碎石蓋住,以流沖力過大,將吸附劑沖起.初始含砷溶液的濃度為10m/L,運行一段時間后,改為50m/L,控制流速為20mL/min,每隔一定時間收集流出液測定收集液中砷的濃度.運行方式為白天8h,夜間不運行.試驗均采用泵控制流速.

    結果與討論

    3.1 進液砷濃度為10mg/L的處理效果

     
    初始進液濃度為10m/L時,運行一段時間后,活性氧化鋁柱子的處理效果如圖2所示.
     
    由圖2可知,在進液濃度為10m/L,未調整進液 H 的情況下,砷的率相對較低,在92%~97%之間.運行一段時間后,調整進液濃度的H 值為弱酸性,其處理效果,率高達98%以上,高達到 99.2%.當出水體積達到 96
     
    L時,率開始下降,說明活性氧化鋁試驗柱在運行一段時間后的吸附量下降,但下降幅度不大.
    3.2 進液砷濃度為50m/L的處理效果
    活性氧化鋁吸附水中砷的動態試驗研究
    初始砷溶液的濃度改為50m/L后的處理效果,如圖3所示.
     
    對某一吸附物來講,經過選的吸附柱的出水濃度為入水濃度的10%或者30%等時,可視為吸附穿透,由于無機砷的毒性較大,因此筆者以定出水濃度為入水濃度的10%時,作為穿透點;出水濃度為入水濃度的80%時,作為飽和吸附點.
    由圖3 可知,當進液濃度增加為50m/L后,開始時砷的率較為穩定.當出水體積為110L時,率為90%,出水砷濃度為5m/L,是入水砷濃度的10%,因此以5m/L為穿透點,穿透體積為110L.進液量為130L左右時,砷的率開始下降.當進液體積達到150L時,砷的

    率降低到38%.此后,裝置停滯了10d.裝置 圖3 進液濃度為50mg/L時砷的處理效果重新運行后砷的率逐漸升高,分析原因是該
     
    部分的流出液為裝置停止運行前存留在柱子內的砷溶液,當裝置重新運行時,該部分存留液體被接出,由于存留液在活性氧化鋁柱內的停留時間較長,增長了氧化鋁的吸附時間,因此率較之前高.當裝置重新運行平穩后,活性氧化鋁柱的吸附量較裝置停滯前有所,率高達到了96%,經過一段處理平穩期后,砷的率逐漸降低.當出水體積達到380L左右時,砷的率降到低,以此視為飽和吸附點.
    活性氧化鋁吸附水中砷的動態試驗研究
    3.3 吸附柱的計算
     
     
     
    為進一步研究活性氧化鋁吸附柱的效果,對該吸附柱的參數進行計算.
     
    活性氧化鋁吸附柱的吸附過程
     
    在吸收初期,吸附柱底部新鮮的活性氧化鋁除砷劑能迅速有效地砷,起吸附作用的吸附帶在柱底附近,隨著吸附反應的進行,初始吸附部分吸附達到飽和,吸附帶逐漸上移至柱頂(見圖4、圖5).當出水濃度達到某一規定的濃度時,流出液中吸附質的濃度開始急劇上升,這時稱為穿透.
     
    3.3.2 吸附帶推移速度計算
     
    在吸附層中任取單位截面積厚度為dz的微元作物料衡算.設水流速度為v,流經柱斷面的溶質濃度為c,吸附劑裝填密度為ρ0,平衡吸附量為q,孔隙率為m,則在dt時間內流入流出微元的吸附質變化量應等于吸附劑的吸附量與孔隙中溶質的量之和,即
    活性氧化鋁吸附水中砷的動態試驗研究
    活性氧化鋁吸附水中砷的動態試驗研究
    設在d時間內,吸附區從柱面下移至+d,斷面流動相中溶質的濃度為常數 ,則)表示吸附區的推移速度 ,根據偏微 分的性質可得出
    活性氧化鋁吸附水中砷的動態試驗研究
     結論
     
    1)當初始砷濃度為10m/L時,砷的率均在90%以上,高可達99.2%.
    2)當初始砷濃度為50m/L時,以5m/L為穿透點,穿透體積為110L,動態吸附量為3.43m/.
    g                         g                                                                                                         gg
    3)吸附初始砷為50m/L時吸附柱的吸附帶推移速度為0.21cm/h,10m/L時吸附帶的推移速度為0.042cm;初始砷濃度為50mgL時吸附帶厚度為27.72cm.
     
    4)逆流式單床吸附法處理設備簡單,處理費用低.活性氧化鋁具有吸附容量大、廉價易得、強度高、處理后無二次污染等點,它可以作為一種有效的吸附劑應用于水中砷的.

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