树脂改性纳米铁修复铅污染地下水的研究

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地下水是水资源的重要组成部分,是解决我国工业、农业、生活用水的重要资源。近几十年,经济粗放式发展使得对自然资源开发利用强度日渐增大,地表水污染严重,地下水环境也遭受不同程度的污染。重金属是地下水中一种重要的污染物。重金属高稳定、难以降解的特性使得地下水重金属污染具有危害不可预测的特点。铅作为典型的重金属污染物,是著名的“五毒”之一,具有致畸、致癌、致突变的“三致”特性,随着铅污染事件增多,铅污染地下水修复势在必行。零价铁简单易得、反应性强,可与多种污染物发生反应,零价铁处理环境污染物成为近年来十分活跃的研究领域。纳米级零价铁粒径小、比表面积大、表面能大,在保持零价铁化学性的基础上具有更高的反应活性、强还原性及吸附性,但是纳米铁易团聚、稳定性差,抗氧化性差的特点使其在应用中受到局限,因此纳米铁的改性成为了必然。本研究讨论树脂改性纳米铁应用于铅污染地下水修复的可行性,并且在静态批实验的基础上,构建有机玻璃柱反应装置,研究动态条件下的修复效果,研究成果如下:(1)对实验所用树脂纳米铁进行SEM和XRD表征,确定其形态、主要成分及稳定性,结果表明粒子粒径约为50-200nm,整体呈絮状排列,主要成分为Fe(0),具有很强的空气稳定性及抗氧化性,在空气中,暴露条件下可稳定存放60天以上;(2)研究树脂纳米铁对铅污染地下水的修复效果,确定反应基本条件,探究反应动力学及反应机理。结果表明,树脂纳米铁对铅污染物的去除符合准一级动力学方程,其机理为混凝吸附和表面还原共同作用。树脂纳米铁对铅的去除率受多种因素影响,随树脂纳米铁投加量增大、初始污染物浓度减小铅的去除率增加;水体中的DO作为电子受体可以与Fe(0)发生反应,与Pb2+竞争电子,因此地下水无氧环境有利于反应的进行;初始pH不同,处理效果略有不同,pH过大或过小均不利于反应进行,本实验中最适pH为4;(3)研究常见地下水离子Cl-、SO42-、HCO3-、Ca2+、Mg2+对树脂纳米铁修复铅污染地下水的影响。地下水离子成分存在时,树脂纳米铁对铅污染物的处理仍符合准一级动力学方程,但是,速率常数大小与离子种类和浓度均有关系;SO42-和Cl-可以破坏纳米铁表面钝化层或形成绿锈,促进铅的去除;HCO3-存在时与Pb2+生成PbCO3沉淀,反应初期就使污染物浓度大量减少,而且HCO3-的pH缓冲性也促进了反应的进行;Ca2+和Mg2+容易与地下水中的OH-生成沉淀,抑制反应进行,且Ca2+的抑制作用强于Mg2+。(4)在前期批实验的基础上,利用石英砂为主要填充介质,构建有机玻璃柱反应装置,模拟水体流动状态下污染物的运移及修复过程,讨论树脂纳米铁用量、添加活性炭及不同地下水流速对铅污染地下水修复效果的影响。增加树脂纳米铁粉用量,可强化修复效果;添加活性炭促进污染物去除,但反应初期出水可溶性总铁浓度很高,可能引起地下水铁超标;地下水流速增大会降低污染物与树脂纳米铁的接触时间,因此降低污染物的去除率。
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