应用负载型纳米铁去除饮用水中砷的研究

砷是毒性最强的元素之一，水体中砷的污染己经引起人们广泛的关注。我国的新疆、内蒙、山西和台湾等省和地区地下水砷含量严重超标。全球共有5,000多万人遭受高砷饮用水的威胁，其中中国有1,500多万，是饮用水砷污染最严重的国家之一。WHO推荐饮用水砷的最高允许浓度从原来的50 µg•L-1已降至10 µg•L-1。更为严格的砷卫生标准的颁布，对作为饮用水源的地下水中的砷去除工艺提出了更高的要求。吸附法除砷比膜法、混凝法和离子交换法更安全、简便，是砷去除工艺中最有效的方法之一。 首先，本研究通过优化制备条件（包括炭种类的选择、炭的粒径大小、还原剂的浓度及滴定速率、反应温度、铁盐的种类及浓度、分散剂的比例及浓度），制备了负载型纳米铁。考虑到砷的去除效率、工程应用的可行性以及经济性，最优的制备条件如下：选用粒径为20~40目煤质炭，在室温、一定的分散剂比例及浓度，0.2 M KBH4滴速为20 d•min-1时所制备的Fe/炭为82.0 mg•g-1；纳米铁在活性炭孔内呈针状，其直径为30~500 nm，长度为1,000~2,000 nm。绝大多数的铁都负载到活性炭内部，这在处理水时铁不流失很重要。 其次，利用制备的负载型纳米铁作吸附载体，进行了饮用水中As(Ⅴ)的吸附去除实验。研究了该吸附剂对As(Ⅴ)的吸附等温线、动力学以及影响动力学的各种因素（包括As(Ⅴ)的不同初始浓度、吸附剂用量、pH值、共存离子和不同温度）、pH值、共存离子等环境条件对As(Ⅴ)去除的影响；以及吸附剂的再生及再生后的吸附效率等。研究发现在前12 h内吸附较快，72 h时达到了平衡。用Langmuir 吸附等温式估算出As(Ⅴ)的吸附量为12.0 mg•g-1。该吸附剂在pH 6.5， (25±2)℃， As(Ⅴ)初始浓度为2 mg•L-1，吸附剂用量为1.0 g•L-1时，As(Ⅴ)的去除率为75.2%；当把吸附剂的用量增加到1.5 g•L-1时，As(Ⅴ)的去除率可达99.9%以上。吸附剂可以用0.1M的NaOH浸泡12 h后即可再生，再生效率较高。常见的阴离子中PO43-、SiO32-对As(Ⅲ)的去除抑制较大，而SO42-、CO32-、C2O42-等离子对砷的去除影响较小。Fe2+对As(Ⅲ)的吸附抑制作用较大而其它阳离子影响不大。吸附剂可用0.1 M NaOH 有效再生，并且具有良好的机械性能。实验室初步实验数据表明，该吸附剂对饮用水除砷具有较好的应用前景。 第三，利用实验室制备的负载型纳米铁对饮用水中As(Ⅲ)的吸附去除也进行了研究。考察了吸附等温线、动力学以及影响动力学的各种因素、pH值、共存离子等环境条件对As(Ⅲ)去除的影响；以及吸附剂的再生及再生后的吸附效率等。研究发现，该吸附剂在pH 6.5， (25±2)℃， As(Ⅲ)初始浓度为2 mg•L-1，吸附剂用量为1.0 g•L-1时， 对As(Ⅲ)的去除率为99.8%；其吸附容量为1.996mg•g-1。吸附过程中部分As(Ⅲ)被氧化。与As(Ⅴ)的吸附相比，该吸附剂对As(Ⅲ)的效率比较高-而常见的其它除砷吸附剂如载铁纤维棉等，对As(Ⅴ)的效率比As(Ⅲ)高，为有效去除As(Ⅲ)，常常需要专门加上氧化这一过程。 最后，利用负载型纳米铁对饮用水中As(Ⅲ) 的氧化性能进行考察，发现该吸附剂不但能够有效吸附去除饮用水中的砷，而且还能把As(Ⅲ)有效地氧化为As(Ⅴ)。经过对吸附剂的构成组分分析发现，活性炭表面因富含多种官能团而对三价砷的氧化作用最大；其次是纳米铁也能把As(Ⅲ)氧化为As(Ⅴ)。