载铁棉纤维素吸附剂固定床去除地下水砷

第56卷 第9期 化 工 学 报

Vo l 156 N o 19

2005年9月 Journal o f Chemical Industry and Eng ineering (China) September 2005

研究论文

载铁棉纤维素吸附剂固定床

去除地下水砷

郭学军,陈甫华

(南开大学环境科学与工程学院,天津300071)

摘要:用球形棉纤维素作载体,研制成了一种新的吸附剂:载铁(B -FeO OH )球形棉纤维素吸附剂,并应用于地下水砷的去除.柱实验表明,吸附剂对A s(Ⅲ)和A s(Ⅴ)的去除效果均明显优于相关文献中报道的吸附剂.采用含砷为500L g #L -1的地下水为柱实验进水,空床接触时间分别为412min 和519min 时,按照世界卫生组织推荐的新卫生标准(10L g #L -1),吸附剂去除A s(Ⅲ)和As(Ⅴ)的穿透体积分别达2200BV 和5000BV.如采用含A s(Ⅲ)和A s(Ⅴ)各为250L g #L -1的地下水为柱实验进水(总砷为500L g #L -1),空床接触时间510~512min 时,按照现行中国饮用水砷最高允许浓度50L g #L -1的卫生标准,3次过柱穿透点的出水体积分别达7000BV 、6000BV 和6700BV.吸附剂可以用2mo l #L -1N aOH 洗脱再生,再生效果良好.

关键词:载铁(B -F eOO H)球形棉纤维素;吸附剂;砷;去除;柱实验中图分类号:X 703 文献标识码:A 文章编号:0438-1157(2005)09-1757-08

Elimination of arsenic from groun d water by bead

cellu lose adsorbent loaded with Fe hydroxide

GU O Xuejun ,CH EN Fu hu a

(College of Envir onmental S cience and Engineer ing ,N ank ai Univers ity ,T ianj in 300071,China )

Abstract :A new adsorbent,bead cellulose loaded w ith Fe hydrox ide (B -FeOOH )w as prepared and used fo r the r em oval of arsenic from gro undw ater.Column exper im ents indicated that the adsorbent had higher efficiency of eliminating bo th ar senite and arsenate than other adsorbents repor ted in literatur e.H ig h bed

volumes of 2200BV and 5000BV up to a breakthr oug h co ncentratio n o f 10L g #L -1

were achieved for the

ar senite and arsenate removal in the studies w ith gro undw ater arsenic concentration of 500L g #L -1

while the em pty bed co ntact time w ere 412min and 519m in respectively.While 250L g #L -1o f arsenite and 250L g #L -1of arsenate w ere spiked together in the groundw ater and the empty bed contact time w as 510)512

min,the br eakthro ug h vo lum es up to 50L g #L -1

w er e 7000BV,6000BV and 6700BV respectively fo r three column recy cles.The adsorbent could be regenerated w ith 2mol #L -1NaOH solutions efficiently.Key words :bead cellulose lo aded w ith Fe(B -FeOOH );adsor bent;arsenic;remo val;column exper im ent s

2004-08-12收到初稿,2004-10-13收到修改稿.

联系人:陈甫华.第一作者:郭学军(1975)),男,博士研究生.

基金项目:南开大学-天津大学联合研究项目.

引 言

砷是剧毒元素之一,近年来地下水砷的污染已

经引起人们广泛的关注.地下水砷污染严重的国家有印度、孟加拉国、越南、阿根廷、智利、墨西 Received date:2004-08-12.

Correspon ding au th or:Prof.

CH EN

Fuh ua.

E -mail:

ch enfuhua2003@yahoo 1com

Foun dation item:supported by Un ited Foundation of Nan kai University an d T ian jin University.

哥、中国、匈牙利等[1].中国台湾、新疆和内蒙古

局部地区地下水砷含量严重超标,砷含量最高可达2000L g#L-1.长期的砷暴露可引起皮肤、肺、肝、肾和膀胱的癌变[2].世界卫生组织1993年重新修订饮用水砷的最高允许浓度,确定为10L g# L-1.欧盟和美国已经重新制定砷的卫生标准,饮用水砷的最高允许浓度从50L g#L-1下降至10 L g#L-1[3].新的卫生标准对砷的去除和工艺提出了更高要求.

吸附法是饮用水中砷去除的有效方法之一,常用的吸附剂有活性氧化铝、活性炭、功能树脂、金属氧化物如氧化铁以及各种天然矿物如沸石等.采用离子交换树脂方法,硫酸根离子等常量干扰离子对砷的干扰大.活性氧化铝对原水pH有较严格的要求,只能在较窄的范围内才能对砷有效去除.天然矿物去除砷价格便宜,来源广泛,但吸附容量一般很低,去除效率不高,且其存在某些微量元素,可能存在其他健康风险.用各种金属氧化物包括稀土元素氧化物如镧、锆、铈的氧化物,铁的氧化物如针铁矿、赤铁矿、无定形氢氧化铁等去除砷的研究都已有报道[4~8],但这些氧化物大都不具备良好的孔结构,难应用于固定床.地下水中砷酸根和亚砷酸根离子都有一定比例的存在,上述吸附剂大都不能有效去除亚砷酸根离子,因此当用它们去除砷时,必须经过预氧化过程如用氯和高锰酸钾氧化等,增加了操作难度和费用.德国的一项专利是将铁的氢氧化物造粒得到粒状除砷吸附剂,但它不耐磨,且在柱操作过程中容易结块[9].

将各种吸附载体载入铁、锆、铈等配位中心,提高吸附砷的选择性和吸附容量,是现今吸附除砷技术的要点[10,11].通过对活性炭、沸石、离子交换树脂、高聚物和分子筛等载体改性后,可以提高对砷的吸附容量和去除效率[10,12~14].

棉纤维是天然可再生材料,载体亲水性好,孔隙度大,已广泛用作生物活性材料,用来吸附和分离氨基酸、蛋白质和核酸,以及去除水中的重金属等.用实验室制备的球形棉纤维素作载体,研制成了载铁(B-FeOOH)球形棉纤维素吸附剂(专利申请号:20041001987617).这种新颖的吸附剂的制备及应用,国内外尚未见研究报道.吸附剂的主要活性成分为B型羟基氧化铁(B-FeOOH, akaganeite-type),铁的吸附活性好,质量分数最高可达50%,与现有文献报道比较,最高载铁量是其他吸附剂的5~10倍[15~19].静态吸附实验表明,吸附剂对As(Ⅴ)和A s(Ⅲ)具有很高的吸附容量,中性条件下最大吸附量分别为3312、9916 m g#g-1.吸附As(Ⅴ)和As(Ⅲ)的适宜pH范围宽,SO2-4、Cl-等常见干扰离子均不影响砷的去除.吸附剂具有良好的强度和耐磨性能,制备方法简单,对地下水中砷去除具有良好的应用前景.本文旨在研究载铁(B-FeOOH)球形棉纤维素吸附柱对地下水中As(Ⅴ)和A s(Ⅲ)的去除.

1实验部分

111实验材料与仪器

载铁(B-FeOOH)球形棉纤维素吸附剂由实验室制备.As(Ⅲ)储备液:准确称取214730g分析纯A s2O3(相对分子质量197184)于烧杯中,加入25m l20%NaOH溶液溶解,去离子水适度稀释,再加10m l优级纯H Cl,用稀H Cl调节pH 至710,定容至250m l,此储备液含As(Ⅲ)为100mm ol#L-1.As(Ⅴ)储备液:准确称取1016020g分析纯Na2H AsO4#12H2O(相对分子质量424108)于烧杯中,加200ml去离子水溶解,稀H Cl调节pH至710,定容至250ml,此储备液含As(Ⅴ)为100mm ol#L-1.As(Ⅲ)和As (Ⅴ)的标准溶液于冰箱中在4e下保存.实验中根据需要临时将此储备液稀释成不同的浓度.其他化学试剂为分析纯或优级纯.所有玻璃器皿在使用前用15%的硝酸溶液浸泡24h以上,分别用自来水和去离子水冲洗数次.用砷化氢发生-原子荧光分光光度计(H G-AFS:AFS230,Beijing, H aiguang Co1)测定砷[20].量检测限011L g# L-1,线性相关系数R2\01999.离子色谱法(Diome公司,DX-120型离子色谱仪)测定地下水中背景离子的浓度.吸附剂经H2SO4-H ClO4-H NO3消化,适度稀释后用分光光度法(UV754, Shang hai,上海精密科学仪器公司)测定吸附剂的载铁含量.

112实验方法

11211吸附剂的制备脱脂棉(河南焦作市卫生材料厂)1610g浸于400m l200g#L-1的NaOH 水溶液2h,压榨挤干至75g左右(压榨比为4B 1),得到碱纤维素,室温下密封老化2~3d,加入8ml CS2[CS2体积(m l)=棉纤维素干重(g)/2],密封,室温下150r#min-1振荡4~8h,得到橙红色黏胶,加入一定体积的60g#L-1NaOH水溶

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