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蒙脱石负载高锰酸钾对地下水中氯代烃的降解实验研究

许书刚  
【摘要】:氯代脂肪烃是地下水中检出率最高的有机污染物之一,而三氯乙烯与四氯乙烯是其地下水污染中关注程度最高的两类最典型的物质,不但分布广而且危害大,对此类污染物污染的地下水环境的修复与治理迫在眉睫。本文通过室内控制性批实验,进行蒙脱石负载的高锰酸钾氧化降解地下水中三氯乙烯、四氯乙烯的反应动力学研究,揭示其氧化降解能力与反应动力学特征,为进行合理有效的地下水污染修复与治理提供科学的依据。 高锰酸钾是强氧化剂,对三氯乙烯、四氯乙烯具有很好的氧化效果,而蒙脱石具有吸附、絮凝的作用。蒙脱石负载高锰酸钾既可以利用高锰酸钾的氧化性,亦可以利用蒙脱石的吸附、絮凝作用,解决二氧化锰堵塞问题并回收二氧化锰。 采用碾磨法制备蒙脱石负载高锰酸钾,取20g蒙脱石、0.5g高锰酸钾,在研钵中混合研磨至均匀的淡紫色的粉末。 在100min内,蒙脱石负载高锰酸钾对三氯乙烯的去除率大于97%,对四氯乙烯的去除率为近50%,去除效果非常明显。负载高锰酸钾去除三氯乙烯和四氯乙烯的速率稍慢于高锰酸钾,说明有缓释作用。在负载高锰酸钾降解三氯乙烯、四氯乙烯过程中,蒙脱石作为缓释剂的同时,絮凝吸附反应所产生的二氧化锰。过滤反应残渣,可见过滤物基本无黑色絮状物,说明蒙脱石对二氧化锰絮凝成功,蒙脱石负载高锰酸钾去除水中三氯乙烯、四氯乙烯是可行的。 实验考察了蒙脱石负载高锰酸钾在不同环境条件下的降解效果和反应动力学特征: (1)随蒙脱石负载高锰酸钾用量的增加,反应速率变快。用量为0.1g时,三氯乙烯降解不完全,四氯乙烯基本未降解;用量为0.5g、1g、2g时,三氯乙烯降解完全,四氯乙烯部分降解,且四氯乙烯降解率随药剂用量增加而增加。不同负载药剂投加量条件下,三氯乙烯和四氯乙烯的降解反应均呈现一级反应动力学特征,随着负载药剂投加量的增加,三氯乙烯和四氯乙烯降解反应表观速率常数Kobs均逐渐变大,半衰期均逐渐变小,且表观速率常数Kobs与负载药剂投加量呈线性关系。 (2)随氯代烃浓度的增加,三氯乙烯完全降解的所需时间变长,四氯乙烯降解量增加,降解率降低。不同氯代烃初始浓度条件下,三氯乙烯和四氯乙烯的降解反应均呈现一级反应动力学的特征,随着三氯乙烯、四氯乙烯初始浓度的增加,其降解反应的表观速率常数Kobs逐渐减小,且二者具有明显的对数函数相关关系。 (3)随温度升高,反应速率加快,三氯乙烯降解完全所需时间变短,四氯乙烯快速降解时间提前。温度为15℃至45℃,三氯乙烯均降解完全;25℃至45℃四氯乙烯解率随温度增加而上升。不同温度条件下,三氯乙烯和四氯乙烯的降解反应均呈现一级反应动力学的特征。温度在15℃至45℃之间,反应表观速率常数Kobs均随着温度的升高而变大。根据反应速率常数与温度关系的阿伦尼乌斯方程,作不同温度下1lnKobs与105/T的关系曲线,求得表观活化能,均低于40kJ·mol-1,说明反应比较容易发生,反应速率比较快。 (4)不同初始pH值条件下,负载高锰酸钾降解三氯乙烯和四氯乙烯的去除效果和反应速率基本无变化。这是因为高锰酸钾对三氯乙烯、四氯乙烯的降解反应均是先生成次锰酸环酯,这是决定反应速率的一步,之后依据酸碱环境的不同,反应路径也会不同,但后续反应速度均较快,对整体反应速度没有明显影响。 (5)分析三氯乙烯和四氯乙烯在相同的条件变化下反应动力学特征变化的特点,在负载药剂用量条件变化时,三氯乙烯和四氯乙烯对条件变化的敏感性基本一致。四氯乙烯对氯代烃浓度条件变化更为敏感,随着氯代烃浓度的降低,四氯乙烯与高锰酸钾的反应更容易发生。四氯乙烯对温度条件变化也较三氯乙烯更为敏感,随着温度的升高,四氯乙烯与高锰酸钾的反应更容易发生。 此外,还研究了蒙脱石负载高锰酸钾对三氯乙烯单组份溶液、四氯乙烯单组份溶液的降解特征,并与混合溶液降解特征进行对比。三氯乙烯、四氯乙烯共存,会竞争与负载高锰酸钾的反应,降低负载高锰酸钾对各组分的降解速率,而其中三氯乙烯更容易被负载高锰酸钾氧化降解。


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