自然水体生物除砷技术研究

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砷是一种有毒元素,暴露过量的砷会对人类的健康和生态造成较大危害。近年来,国内外天然水体突发砷污染事故频发,给当地经济和环境安全带来了诸多负面影响。利用化学吸附材料应急除砷的方法能在较高砷浓度的条件下发挥效用,但对于低浓度砷的去除往往投加量较大,材料成本提高。而生物吸附材料却能很好的解决这个问题。As3+的毒性比As5+高,且不易直接去除,如能实现As3+的有效直接吸附可避免预氧化等工艺,有利于降低成本,提高水质安全保障。本文选择蜈蚣草、金鱼藻、虾子草、黄丝草、菹草、狐尾藻、黑藻、蟹壳等8种生物材料,评估其除砷性能,优选吸附材料,结果表明:(1)对As3+的吸附能力,蜈蚣草吸附效果最好,菹草次之,狐尾藻最低,虾子草、黄丝草、黑藻大致相等。各植物的吸附等温线均能很好的满足线性方程形式;除蜈蚣草外,其余五种样品系列与弗兰德利吸附方程拟合度较高;D-R方程能较好的表征菹草、蜈蚣草的吸附特性;准二级动力学方程可以很好的描述各植物吸附动力学的过程;AS3+的内部扩散过程不是吸附速率的唯一控制步骤,吸附反应的速率是多个过程共同作用和控制的结果。(2)高浓度的As3+(10.0、100.0 mg/L)对蜈蚣草和金鱼藻均具有较强的毒性,它会抑制生物体的生长并最终导致死亡。低浓度As3+(0.1、0.5和1.0 mg/L)的条件下,植物没有出现生理学毒性特征,而且出现了生物量增长的情况。两种植物对AS3+胁迫的忍耐极限浓度均为10 mg/L,但蜈蚣草的存活时间比金鱼藻长。二者的最大吸收量之比为5:1,最大吸附量之比约为12:1,主要砷富集部位均为叶片。综上所述,蜈蚣草对As3+的胁迫耐性较强,生长吸收量可观,吸附的初附速率大,到达平衡时间短,是本试验中最适合于天然水体除砷的生物材料。(3)蟹壳对As3+的吸附量随初始砷浓度的增大而增大,随温度的升高略有增长;酸性pH值越低、材料密度>2.0 g/L越多,吸附效果越差;在初始As3+0.928 mg/L,pH=7.0,T=40℃,材料密度2.0 g/L的试验条件下有最大吸附量165.78 mg/kg。吸附等温线满足弗兰德利和线性方程,但后者r2>0.98,拟合度更好;动力学可分三个阶段,反应在第10 h达到平衡;准二级动力学方程能很好的描述整个吸附过程;从内部扩散方程来看,拟合曲线不通过原点,表明内部扩散过程不是吸附速率的唯一控制步骤,吸附是由多个扩散过程共同作用的结果。从热力学上看,反应所需的活化能较低,是一个由多个扩散过程主导的快速物理吸附过程;吸附是非自发性的吸热反应;反应过程中整个体系的混乱度不断减小。
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