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磁性壳聚糖@钨酸铋光催化复合吸附剂对养猪废水中重金属及抗生素的实验研究

钱成锋  
【摘要】:近年来,我国养猪业规模迅速发展壮大,逐渐从分散式走向集约式,污水处理能力不断增强,但达标排放的废水还是会造成一定程度的环境污染。其中,重金属和抗生素残留时间长、隐蔽性大、易诱导抗性基因,成为人类健康和水生态保护的潜在威胁,因此,进一步处理养猪废水中残留的重金属和抗生素是极为必要的。吸附-光催化结合技术是利用其还原重金属和降解有机物两者的协同作用,应用于多种污染物共存的复合废水深度处理。本论文通过将天然聚合物壳聚糖(CTS)和半导体银离子掺杂型钨酸铋(Ag-Bi_2WO_6)包裹于磁性粒子Fe_3O_4的表面,制备出光催化复合吸附剂(MCTS-Ag/Bi_2WO_6),随后分析该材料对重金属和抗生素废水的吸附降解性能,并且在符合禽畜养殖废水排放标准的情况下,模拟养猪废水出水水质,研究在该水质条件下对铜离子-诺氟沙星的联合去除机理,并进行磁分离和再生稳定性分析。详细的研讨内容及主要成果如下:(1)以磁性壳聚糖(MCTS)为基核,高温水热合成MCTS-Ag/Bi_2WO_6,利用FT-IR、FE-SEM及XRD等手段进行结构表征。结果显示:CTS包裹及Bi_2WO_6负载过程中,其平均粒径进一步增大,呈近似球状,形貌较均匀;在Bi_2WO_6的X衍射图谱中,成功检测到银元素,说明银离子已掺杂到Bi_2WO_6晶胞中,另外,CTS包裹和Bi_2WO_6负载均不会对Fe_3O_4晶格产生影响。(2)通过对初始pH值(3~7)、初始浓度(10~120mg/L)、温度(20℃、30℃、40℃)及光照时间等环境因素分析,研究MCTS-Ag/Bi_2WO_6对Cu(Ⅱ)的静态吸附机理,并且对吸附模型进行数据拟合。结果显示:pH值增大,对Cu(Ⅱ)的吸附量逐渐上升,在条件pH=6、20mg吸附剂用量及光照时间120min下,去除率达到90%以上;模拟太阳光在500W氙灯照射下有利于促进吸附Cu(Ⅱ);温度升高不利于对Cu(Ⅱ)吸附。根据吸附模型拟合结果,Freundlich和Langmuir拟合R~2在0.95以上,均能够描述吸附Cu(Ⅱ)的过程,而且该过程主要是以化学吸附为主,光催化为辅;根据热力学拟合参数(35)H0及(35)G0,表明是一种自发放热型的吸附反应,其最大理论吸附量达到181.818mg/g。(3)通过对初始pH值(3、5、7、9)、流速(3 mL/min、4 mL/min、5mL/min)、填料层高度(1.5cm、2.0cm、2.5cm)、初始浓度(4 mg/L、6 mg/L、8mg/L)及光照(光反应、暗反应)等环境因素分析,研究在固定床装置中MCTS-Ag/Bi_2WO_6对抗生素诺氟沙星(Nor)的动态降解机理,随后对Thomas、Yoon-Nelson及BDST三种动态模型进行拟合。结果显示:初始pH升高,流速和初始浓度降低,填料层高度增大及光反应下,有利于对Nor的吸附降解;根据拟合结果,Thomas和Yoon-Nelson拟合R~2在0.97以上,均能够很好描述对Nor的动态降解行为;BDST拟合R~2在0.93以上,可以预测出不同条件下MCTS-Ag/Bi_2WO_6对Nor的理论穿透时间,穿透时间理论值与实验值误差在3%~40%之间。(4)研究MCTS-Ag/Bi_2WO_6在可见光照射下对模拟水质中铜离子-诺氟沙星的静态吸附降解,通过对初始pH值(5、7、9)、浓度配比及投加量等因素进行分析。结果显示:在不同pH值下,Cu(Ⅱ)和Nor有不同的络合形式,pH=9更有利于对铜离子-诺氟沙星络合物的吸附降解;在没有吸附剂时,添加Cu(Ⅱ)影响较小,对Nor降解率最大达到9.6%,在有20mg吸附剂存在时,添加Nor影响较大,对Cu(Ⅱ)吸附率最大达到86%以上,Cu(Ⅱ)和Nor之间形成协同吸附。(5)通过磁性分离和再生稳定性分析,MCTS-Ag/Bi_2WO_6能迅速从废水中分离出来,其吸附-解吸次数可达到5次,最后一次两种污染物去除率降到80%以下,仍具有良好地再生稳定性,对处理重金属和抗生素联合污染的复合废水有很好的应用前景。


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