β-环糊精改性沸石去除稀土矿区地下水氨氮污染研究

作     者：王生晖 

作者单位：西北师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈粉丽;宋昕

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：天然沸石 环糊精改性 氨氮 吸附 生物沸石 

摘      要：江西赣南地区是我国典型的离子型稀土采矿区,由于浸矿剂铵盐的过量使用,造成部分区域地下水中氨氮严重超标。可渗透反应墙技术常用于修复污染地下水,墙体填充材料是影响PRB技术应用效果的关键因素。天然沸石廉价易得,是可行的墙体填充材料,但其有限的吸附容量限制了修复应用,改性能够提高沸石的吸附容量。β-环糊精(β-Cyclodexrtin,β-CD)具有特殊结构且在环境中无毒副作用,研究表明通过沸石固载环糊精(β-环糊精改性沸石)能够提高去除污染物的性能,但β-环糊精改性沸石去除地下水中氨氮的研究尚未见报道。本研究利用β-环糊精对天然沸石进行改性处理,制得β-环糊精改性沸石(β-CDNZ),并且分别通过Na Cl活化和HCl活化制得Na Cl活化β-环糊精改性沸石(β-CDPNZ-Na)和HCl活化β-环糊精改性沸石(β-CDPNZ-H),采用扫描电镜能谱分析、傅立叶变换红外吸收光谱、元素分析、比表面积测试等分析手段对改性沸石进行表征分析,研究了改性沸石吸附去除氨氮的性能,并结合吸附等温线、吸附动力学拟合探讨了改性沸石去除水体中氨氮的作用机制;考察了不同反应温度、初始溶液p H、吸附剂投加量、共存离子(Mg、Mn、CrO、SO)对天然沸石及改性沸石去除氨氮的影响;通过室内吸附/解吸实验及现场地下水氨氮吸附实验,探究改性材料对实际氨氮污染地下水的作用效果;以天然沸石及改性沸石为基础,培养研究了生物天然沸石、生物β-环糊精改性沸石、生物Na Cl活化β-环糊精改性沸石和生物HCl活化β-环糊精改性沸石对氨氮的去除效果,并解析了水体与沸石中微生物群落的响应过程。具体结论如下:(1)SEM-EDS、FTIR、EA、BET等材料表征结果表明β-环糊精可有效负载于天然沸石;对天然沸石及改性沸石的吸附等温线与吸附动力学数据进行拟合,结果表明:天然沸石与Na Cl活化β-环糊精改性沸石对氨氮的吸附符合Freundlich等温线模型(R0.958),β-环糊精改性沸石与HCl活化β-环糊精改性沸石对氨氮的吸附符合Langmuir等温线模型(R0.989),其中Na Cl活化β-环糊精改性沸石拥有更大的吸附容量;改性沸石的吸附动力学符合准二级动力学,Elovich模型对其有较好的拟合,其吸附过程主要受化学作用的影响;(2)考察了不同反应温度、初始溶液pH、吸附剂投加量、共存离子(Mg、Mn、CrO、SO)对天然沸石及改性沸石去除氨氮的影响,结果表明:天然沸石和改性沸石在酸性条件下对氨氮的去除效果更好;氨氮浓度低于40 mg/L时,温度对氨氮去除效果的影响较小,氨氮浓度高于40 mg/L时,35℃下氨氮去除效果最好;改性沸石的最佳投加量为7.8-8.8 g/L,天然沸石的最佳投加量为9.5 g/L;体系中阳离子会抑制天然沸石及改性沸石对氨氮的去除;改性沸石对实际现场地下水中氨氮的去除规律与批实验相似,在反应24 h后,去除率可达46.4%-53.7%,天然沸石地下水中氨氮的去除率仅为33.6%,β-CDPNZ-Na与β-CDPNZ-H效果最好;改性沸石对氨氮的去除是一个以离子交换为主的化学吸附过程,β-环糊精对氨氮的去除还存在一定的螯合作用。(3)生物改性沸石比生物天然沸石的培养时间分别为68和78 d,生物天然沸石、生物β-环糊精改性沸石、生物Na Cl活化β-环糊精改性沸石和生物HCl活化β-环糊精改性沸石对水体中氨氮的去除,在反应10 d后去除率均可达99.6%;四种生物改性沸石的微生物群落结构组成存在显著差别,表明β-环糊精和活化条件能够显著改变沸石对微生物的固载能力。