多孔碳基材料吸附去除饮用水标准外优先控制污染物研究

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本研究选择不同孔道结构的碳基材料分别对抗生素(泰乐菌素、卡马西平和万古霉素)、内分泌干扰物(双酚A、双酚S和双酚F)和农药(2,4-D、阿特拉津和乙草胺)三类水体中常见的标准外优先控制有机污染物的吸附进行研究,探究不同结构的多孔碳基吸附剂对这三类污染物的去除效率和吸附机制,为饮用水水质标准外污染物的控制提供技术支撑。主要研究内容和结果如下:(1)以微孔椰壳碳Zg-100、无序介孔碳XFPO5和有序介孔碳CMK-3为吸附剂,双酚A、双酚S和双酚F为吸附质进行吸附实验。结果表明,Zg-100、XFPO5和CMK-3分别对双酚A、双酚S和双酚F的吸附等温线均符合Freundlich等温模型,动力学均符合假二级动力学模型。CMK-3的大比表面积和疏水性导致CMK-3对双酚A、双酚S和双酚F的吸附效果较好,饱和吸附量分别为436.7 mg/g、399.0 mg/g和390.1 mg/g,介孔碳CMK-3和XFPO5的吸附速率大于微孔碳Zg-100;腐殖酸分子与吸附质存在竞争吸附,导致多孔碳基材料对双酚类污染物的吸附量随着腐殖酸浓度的增大吸附量逐渐降低;当pHpKa(BPA/BPF/BPS)时随着pH的增大吸附剂对吸附质的吸附量逐渐降低;不同来源的天然水体与去离子水相比均对吸附效果产生一定的负面影响;Na+对多孔碳材料吸附双酚类污染物不产生影响。对于双酚类污染物的去除,介孔碳CMK-3可以作为首选吸附剂。(2)以微孔碳XFPO6、微-介孔椰壳碳Zg-100、无序介孔碳XFPO5和有序介孔碳CMK-3为吸附剂,分别以泰乐菌素、卡马西平和万古霉素三种不同尺寸大小的污染物为吸附质进行吸附试验,探究吸附质分子尺寸大小和吸附剂孔道对吸附的影响。结果表明,Zg-100、XFPO6、XFPO5和CMK-3分别对卡马西平、泰乐菌素和万古霉素的吸附等温线均符合Freundlich等温模型,吸附动力学均符合假二级动力学模型。具有丰富介孔结构的XFPO5对大分子泰乐菌素和万古霉素的吸附效果较好,饱和吸附量分别为910 mg/g、630 mg/g,而小分子卡马西平则在含微孔结构的XFPO6上吸附效果较好,饱和吸附量为808 mg/g;大分子泰乐菌素和万古霉素在微孔碳XFPO6上存在分子筛效应,小分子卡马西平在XFPO6存在微孔填充效应;腐殖酸分子与吸附质存在竞争吸附,导致随着腐殖酸浓度的增大吸附剂对吸附质的吸附量逐渐降低。去除大分子抗生素类污染物介孔碳可以作为首先吸附剂。(3)以微-介孔椰壳碳Zg-100、微-介孔碳F300、微孔碳XFPO6、无序介孔碳XFPO5和有序介孔碳CMK-3为吸附剂,2,4-D、乙草胺和阿特拉津为吸附质进行吸附试验。结果表明,五种吸附剂中富含微孔结构的XFPO6对2,4-D、乙草胺和阿特拉津的吸附效果最好;XFPO6对2,4-D和阿特拉津的吸附等温线符合Freundlich等温模型,对乙草胺的吸附等温线符合Langmuir等温模型,吸附动力学均符合假二级动力学模型;当pHpKa(2,4-D)时随着pH的增大多孔碳材料对2,4-D的吸附量逐渐降低,pH对多孔碳材料吸附乙草胺和阿特拉津不产生影响;腐殖酸分子与吸附质竞争吸附位点,导致随着腐殖酸浓度的增加多孔碳材料对2,4-D、乙草胺和阿特拉津的吸附量逐渐降低;Na+对多孔碳材料吸附行为不产生影响。今后水厂去除农药类污染物时尽量选择微孔碳作为吸附剂。(4)将多孔碳基材料吸附阿特拉津、乙草胺、2,4-D、泰乐菌素、万古霉素、卡马西平、双酚A、双酚S和双酚F进行总结,初步得出结论如下:分子尺寸在1 nm左右的芳香烃吸附质在同种多孔碳吸附剂上的吸附量无明显差异;农药、双酚和抗生素三类污染物出现局部的吸附规律(单位比表面的介孔碳CMK-3和介孔碳XFPO5对万古霉素、泰乐菌素、BPA、BPS、BPF和卡马西平的吸附量大于微孔碳Zg-100,单位比表面的Zg-100对阿特拉津、乙草胺和2,4-D的吸附量高于介孔碳CMK-3和XFPO5。因此在实际水处理中遇到上述污染物时可以将吸附剂按一定比例组合使用。
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