摘要：

随着人口快速增长,工业化及经济的飞速发展,重金属污染已成为全球最主要的环境问题之一.水体是重金属污染物扩散的主要途径,世界上的许多河流系统都出现了不同程度的污染,中国的河流水体也不例外.世界范围内大部分的河流都担负着农田灌溉的使命,而这大部分的河流都出现不同程度的重金属污染.水体中的重金属镉离子很容易通过灌溉残留到土壤当中,再被作物吸收,转移到农产品中去,严重影响农产品质量及食品安全.因此,根据灌区的水源,土壤,作物等情况,研发简便易行,经济可行的污水处理技术与新装备,能够有效去除有毒重金属等污染物,使水质能够达到农田灌溉的水质要求就显得尤为迫切,这对于非常规水资源的农业安全利用具有重要意义. 本文以含低浓度Cd(Ⅱ)为典型微污染灌溉水源,选用天然沸石为原材料,分别采用酸化高温加热改性和壳聚糖负载的方法,成功制备了新的吸附材料,提高了天然沸石的吸附性能,通过静态批试验和动态柱吸附试验分析了两种改性的沸石吸附材料去除低浓度Cd(Ⅱ)的效果,并分析了其对Cd(Ⅱ)的吸附机理,还通过动态吸附模拟试验验证了制备的两种改性沸石具有很大的应用价值,取得的主要研究成果如下: (1)通过酸化加热改性天然沸石和壳聚糖负载天然沸石,进行低浓度Cd(Ⅱ)的灌溉污水处理试验研究,试验结果表明,试验成功制备了活化沸石(AZ)和壳聚糖负载天然沸石(CNZ);活化沸石的最佳改性条件是,经5%的稀盐酸浸泡2h以上,然后温度控制在350℃左右,在高温炉中高温焙烧1h左右;壳聚糖负载天然沸石的最佳改性条件是,壳聚糖与天然沸石质量比为0.05,壳聚糖溶液浓度为1.0%. (2)采用BET比表面积及孔径分析,扫描电镜,X衍射仪,傅里叶红外光谱对天然沸石NZ,活化沸石(AZ)和壳聚糖负载天然沸石(CNZ)的表面特性和结构进行了表征分析.结果表明,BET测试结果表明,与天然沸石相比,经过酸化后高温加热改性处理的活化沸石(AZ)比表面积比天然沸石的要大,孔径也增大了;而经壳聚糖负载天然沸石(CNZ),其平均孔径与总孔容积稍有减小,说明了壳聚糖已负载于沸石中,填充了天然沸石的部分孔道或壳聚糖覆盖在了天然沸石表面.SEM表明,改性后活化沸石的表面凹凸不平,内部结构较为分散,疏松,有明显的孔洞;经壳聚糖负载的沸石表层附着有更细的粉状小颗粒物质.XRD图谱显示,两种改性沸石的晶体结构没有出现明显改变:壳聚糖负载天然沸石(CNZ)的X射线衍射光谱图中出现一个特有的衍射吸收峰,说明壳聚糖己负载其上.傅里叶红外光谱表明壳聚糖负载天然沸石的红外光谱中出现-NH2和-OH振动带,也证明壳聚糖已负载于沸石滤料中. (3)不同吸附剂的投加量,溶液的pH值,温度,吸附时间和溶液的起始浓度对活化沸石AZ和CNZ两种改性沸石吸附低浓度Cd(Ⅱ)吸附效率的影响试验结果表明:活化沸石AZ在温度为25℃,pH为6,投加量为6 g/L,吸附反应平衡时间为180 min条件下,对100 mL浓度为100μg/L的含Cd(Ⅱ)溶液去除率达到95.1%;壳聚糖负载天然沸石(CNZ)在温度为25℃,pH为6,投加量为8 g/L,吸附反应时间为60 min条件下对100 mL浓度为100μg/L的镉溶液去除率达到94.51%以上. (4)通过吸附等温模型,吸附动力学模型,吸附热力学模型,从理论上分析了两种改性沸石的吸附机理.结果表明:Cd(Ⅱ)在活化沸石(AZ)和壳聚糖负载天然沸石(CNZ)上的吸附均符合Langmiur吸附等温模型,属于单分子层吸附,25℃条件下,Cd(Ⅱ)的最大理论吸附容量分别为149.25μg/g和112.4μg/g,吸附均以准二级动力学方程为主,根据热力学的计算,其吸附过程均是自发的吸热反应,吸附过程熵是增加的. (5)在相近试验条件下,活化沸石(AZ)和壳聚糖负载天然沸石(CNZ)进行比较,壳聚糖负载天然沸石(CNZ)的吸附速率比活化沸石(AZ)高,但是在对Cd(Ⅱ)去除率近似时,活化沸石(AZ)的投加量略低于壳聚糖负载天然沸石(CNZ),说明两种改性沸石均有较好的吸附性能.在相近试验条件下,这两种改性的吸附材料和其他改性方式的吸附材料对比,它们的吸附性能比大多数其它吸附剂的吸附性能更好,这说明活化沸石(AZ),复合材料壳聚糖负载天然沸石(CNZ)都是良好的吸附剂材料,在含低浓度Cd(1Ⅱ)的微污染灌溉水的处理中有广阔的应用前景. (6)根据静态吸附试验得到的最佳吸附条件,参考农田灌溉模式,采用间歇运行的方式进行了动态柱吸附模拟试验,探讨了吸附柱试验中吸附介质类型,进水滤速,吸附剂量对吸附效率的影响.试验结果表明,从满足出水水质达标,节约投资成本等角度综合考虑,在本文的动态柱吸附试验中吸附滤柱的直径为30mm,高为190 mm,吸附介质粒径0.3 mm～0.45 mm,间歇运行,得出最佳运行条件为:吸附介质可选择单一的活化沸石滤柱或混合介质(AZ: CNZ=4:1),滤速为6 m/h,滤柱高度500 mm,吸附剂量30 g. 试验结果还表明,改性沸石滤料对含Cd(Ⅱ)浓度为100μg/L的溶液有显著的去除效果,去除率达到99.5%以上,滤后出水中Cd(Ⅱ)平均浓度为0.41μg/L,远远低于《农田灌溉水质标准》(GB5084-2005)标准中规定的0.01mg/L,达到了农田灌溉水质标准的要求.

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