活性介质材料对地下水中SO_4~(2-)的吸附性能研究

【摘要】：SO_4~(2-)广泛存在于地下水环境中,其主要来源是地层中硫酸盐矿物的溶解、海水入侵以及使用硫酸盐或硫酸的工业废水污染。饮用高SO_4~(2-)水易引起腹泻、脱水和胃肠道紊乱等问题,同时水环境中浓度过高会引起水体生物种群发生变化,影响人类和生态环境的健康。目前,去除水体中SO_4~(2-)的方法较多,主要包括沉淀法、生物法、离子交换法、膜分离法和吸附法等,主要是针对工业废水、矿井水、氯碱工业等污水废水,成本往往较高、过程相对复杂,使实际工程很难实施;而吸附法较为适合应用于地下水中,其特点是操作相对简单,成本相对较低,但是目前对于SO_4~(2-)吸附材料多以人工合成材料和改性材料为主,增加了吸附的成本,因此寻找高效、经济、来源广泛、生态安全的吸附材料是有效处理地下水中超标SO_4~(2-)工艺工程的关键。本论文依托于中国地调局项目子课题“陕甘宁劣质水改水示范研究(DJS-2016-0301)”,针对陕甘宁地区地下水SO_4~(2-)超标问题,在研究区资料归纳总结基础上,进行研究区地下水环境质量调查和监测,分析研究区SO_4~(2-)超标地下水环境特性;跟踪国内外学科领域发展动态,结合课题组已有工作基础,选取活性介质材料,通过吸附地下水中SO_4~(2-)静态实验进行比选;结合研究区地下水环境特性分析结果,进行活性介质材料吸附地下水中SO_4~(2-)过程中影响因素研究,进一步通过动态实验,揭示活性介质材料动态吸附地下水中SO_4~(2-)的规律;根据动力学吸附、等温吸附机理,结合活性介质材料微观分析技术——BET、SEM、XPS等,分析活性介质材料吸附地下水中SO_4~(2-)机理。研究成果为高SO_4~(2-)超标地下水净化提供有效活性介质材料和关键参数。主要取得以下成果:1、高SO_4~(2-)地下水环境特性研究区内高SO_4~(2-)地下水主要位于白垩系环河组含水层,地下水流向为从西北向东南,其水化学类型主要为HCO_3-Na·Mg型水和SO_4-Na·Mg型水;根据国家饮用水标准(GB5749-2006),研究区内SO_4~(2-)超标率为31.15%,利用SPSS软件对地下水中水化学组分进行相关性分析,发现地下水中SO_4~(2-)与Mg~(2+)、Ca~(2+)、Na~+和TDS呈正相关关系,与HCO_3~-呈负相关关系,与Cl~-和NO_3~-相关性较小。2、活性介质材料的筛选和效果分析选取火山渣、磁铁矿和沸石矿物材料,模拟SO_4~(2-)超标地下水环境,进行静态吸附实验,结果表明:火山渣和磁铁矿能够有效去除地下水中SO_4~(2-),实验条件下,吸附量分别为6.24mg/g和8.25mg/g,其吸附过程均符合准二级动力学模型,沸石吸附效果差,吸附量仅为0.61mg/mg;根据前期研究区SO_4~(2-)超标地下水环境特性,分别对火山渣和磁铁矿进行吸附影响因素研究,当SO_4~(2-)初始浓度在100mg/L-1000mg/L范围内,随着浓度增大,吸附量也增大,等温吸附过程均合Langmuir模型,理论最大吸附量分别为40.05mg/g和29.58mg/g。火山渣吸附SO_4~(2-)的最佳pH值为7,磁铁矿吸附SO_4~(2-)的最佳pH值为5;水化学因子中Ca~(2+)、Mg~(2+)对火山渣和磁铁矿吸附SO_4~(2-)具有促进作用;Cl~-、HCO_3~-和NO_3~-对火山渣和磁铁矿吸附SO_4~(2-)具有抑制作用;火山渣和磁铁矿的最佳再生液是AlCl_3,再生7次后火山渣的吸附量保持不变而磁铁矿吸附量减少了2.27mg/g。通过比选火山渣和磁铁矿的价格、吸附性能和再生效果,确定火山渣作为吸附地下水中SO_4~(2-)的最佳材料,进行后续研究。3、动态吸附规律选择火山渣作为吸附材料进行动态渗流柱实验,在不同流量、SO_4~(2-)进水浓度条件下,作用过程符合Thomas模型;不同填充高度条件下,作用过程符合BDST模型。利用2%AlCl_3再生-反冲洗3次后,火山渣对SO_4~(2-)的吸附能力并未减弱,在连续运行的48h内,渗流柱的出水SO_4~(2-)浓度均小于250mg/L。可以将火山渣作为反应介质以去除研究区地下水中的SO_4~(2-)。4、作用机理分析火山渣是一种天然矿物材料,主要成分为石英、碱性长石、斜长石等,采用SEM表征微观结构,火山渣表面粗糙,凹凸不平,具有丰富的孔隙;通过BET法测定火山渣的比表面积为6.62m~2/g,孔径约为2-20nm,表明火山渣是一种的介孔材料;进一步通过XPS分析,发现火山渣在吸附前主要的含有元素为O、Si、Fe、Mg等元素,吸附后出现了S元素的特征峰,这说明火山渣对SO_4~(2-)具有良好的吸附效果。