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      電場(chǎng)強(qiáng)化鐵炭修復(fù)地下水中苯和二甲苯的研究

      2017-04-05 18:09:51王雪晶楊再福吳小倩余陽(yáng)
      江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2016年12期
      關(guān)鍵詞:中苯零價(jià)二甲苯

      王雪晶++楊再福++吳小倩++余陽(yáng)++張姚姚

      摘要:利用外加電場(chǎng)強(qiáng)化鐵炭修復(fù)地下水中的苯和二甲苯污染,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定最佳條件:修復(fù)苯和二甲苯污染地下水的零價(jià)鐵與活性炭的最佳比例分別為1 ∶1.5、1 ∶1,修復(fù)的最佳pH值分別為5.5、4.5,外加電場(chǎng)強(qiáng)化零價(jià)鐵與活性炭聯(lián)合修復(fù)苯和二甲苯的適宜電壓分別為18、27 V,可使苯和二甲苯的去除率分別達(dá)到78.63%和94.17%。外加電場(chǎng)強(qiáng)化鐵炭混合修復(fù)苯和二甲苯污染地下水可以使去除率比單獨(dú)鐵炭混合提高28%~34%。

      關(guān)鍵詞:農(nóng)用地;地下水體;苯污染;二甲苯污染;零價(jià)鐵;活性炭;外加電場(chǎng);混合修復(fù);污染治理

      中圖分類號(hào): X523文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

      文章編號(hào):1002-1302(2016)12-0501-05

      收稿日期:2015-12-10

      基金項(xiàng)目:上海市松江科技攻關(guān)項(xiàng)目(編號(hào):14SJGGQT03)。

      作者簡(jiǎn)介:王雪晶(1990—),女,內(nèi)蒙古包頭人,碩士研究生,主要從事地下水污染控制方面的研究。E-mail:1049051586@qq.com。

      通信作者:楊再福,博士,副教授,主要從事土壤、地下水污染控制方面的研究。E-mail:1536178386@qq.com。

      地下水是人類生活以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要水源,然而隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人類活動(dòng)的一系列影響,地下水污染越來(lái)越嚴(yán)重,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重危害。其中苯系物因管理和儲(chǔ)存不當(dāng)以及加工和運(yùn)輸過(guò)程中引起泄漏而導(dǎo)致的地下水污染情況也非常嚴(yán)重[1-2]。這些排放物通過(guò)河流最終使地下水間接受到影響,許多地區(qū)河流以及地下水中已被檢出苯類物質(zhì)濃度很高[3-4]。苯和二甲苯是地下水中常見的污染物[5-10],在2008—2010年間全國(guó)31個(gè)省69個(gè)城市地下水有機(jī)污染物檢測(cè)[11]中,我國(guó)城市地下水中苯的超標(biāo)率為0.5%,超標(biāo)率為第二大有機(jī)物。2014年蘭州發(fā)生地下水苯含量超標(biāo)事件,自流溝苯含量遠(yuǎn)超出國(guó)家限值,達(dá)10 μg/L[12]。在1985—2002年,美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局對(duì)5 000多口地下水井的55種揮發(fā)性有機(jī)物的連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,二甲苯污染居第8位,濃度超過(guò)0.2 μg/L,而苯污染居第4位[13-15]。苯和二甲苯均是USEPA公布的129種優(yōu)先控制污染物,也是我國(guó)水環(huán)境優(yōu)先控制污染物。由于地下水資源對(duì)農(nóng)業(yè)的重要影響,地下水中苯類污染物的去除研究已成為必須。

      零價(jià)鐵具有良好的還原性以及吸附作用[16-21],在與水接觸后發(fā)生自動(dòng)還原的過(guò)程,為苯的吸附和遷移轉(zhuǎn)化提供了電子,起著電子源作用[22-24]。[JP2]Plagentz等用零價(jià)鐵柱和活性炭柱順序聯(lián)合處理苯,發(fā)現(xiàn)零價(jià)鐵作為預(yù)處理方法可以去除大部分苯等有機(jī)物,再經(jīng)過(guò)后續(xù)活性炭的吸附作用[25],地下水中苯等有機(jī)物可以被有效去除50%。李萌等通過(guò)試驗(yàn)制備鐵炭填料,發(fā)現(xiàn)利用鐵炭微電解原理處理有機(jī)污水可以使苯類有機(jī)物的去除率達(dá)到70%左右[26]。但外加電場(chǎng)對(duì)微電解作用的影響研究迄今尚未見報(bào)道。本研究以含苯、二甲苯模擬地下井水為研究對(duì)象,研究了在外加電場(chǎng)強(qiáng)化作用下,零價(jià)鐵、活性炭和鐵炭混合對(duì)地下水中苯和二甲苯的修復(fù)效果,探討外加電場(chǎng)對(duì)鐵炭微電解及對(duì)地下水中苯系物修復(fù)的影響,為農(nóng)業(yè)用地中地下水中苯系物的污染與治理提供科學(xué)的參考。

      1材料與方法

      1.1儀器與材料

      主要儀器:GC7900氣相色譜儀,上海天美科學(xué)儀器有限公司;FID檢測(cè)器,上海天美科學(xué)儀器有限公司;HT-5小口徑毛細(xì)管柱(30 m×0.32 mm×2.65 μm),上海星銥色譜儀器科技有限公司;恒溫培養(yǎng)搖床,上海申賢恒溫設(shè)備廠;電熱鼓風(fēng)干燥箱DHG-9070A,上海一恒科技有限公司;電子天平FA1004,上海恒平科學(xué)儀器有限公司;移液器(10~100 μL),BIOHIT公司;移液器YE3K069794(100~1 000 μL),Dragon-lab公司;PB-10型酸度計(jì),Sartorius公司;精密pH試紙,上海三愛思試劑有限公司(原上海試機(jī)三廠)。

      試驗(yàn)材料:零價(jià)鐵,分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;活性炭(顆粒),分析純,上海凌風(fēng)化學(xué)試劑有限公司;苯,分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;二甲苯,分析純,上海凌風(fēng)化學(xué)試劑有限公司;甲醇,分析純,上海凌風(fēng)化學(xué)試劑有限公司;正己烷,分析純,江蘇省常熟市楊園化工有限公司。試驗(yàn)所用水為去離子水。

      1.2污染地下水

      取上海松江區(qū)地下水井中的地下水然后加入苯、二甲苯模擬污染地下水,地下水水樣的苯濃度為100 mg/L,二甲苯濃度為300 mg/L。地下水中苯與二甲苯污染后基本性質(zhì)見表1。

      1.3試驗(yàn)方法

      1.3.1單因素試驗(yàn)

      將地下水污染的苯和二甲苯水樣各分5組放入100 mL錐形瓶,加入100 mL待處理的苯和二甲苯水樣,分別用零價(jià)鐵、活性炭、零價(jià)鐵+活性炭處理水樣,在恒溫震蕩箱中以100 r/min速度在25 ℃條件下振蕩10 h,再靜置2 h。取液面2 cm下方清液5 mL經(jīng)正己烷萃取后,取上層有機(jī)萃取液放入氣相色譜儀分析,測(cè)定其中苯和二甲苯的含量。試驗(yàn)平等樣2組,取其平均值。

      1.3.2外加電場(chǎng)聯(lián)合處理試驗(yàn)

      將地下水污染的苯和二甲苯水樣在外加直流電壓9、18、27 V的電強(qiáng)化作用下,分別用零價(jià)鐵、活性炭、零價(jià)鐵聯(lián)合活性炭處理水樣,靜置反應(yīng)10 h,取5 mL水樣經(jīng)正己烷萃取后,取上層有機(jī)萃取液放入氣相色譜儀進(jìn)行分析,測(cè)定其中苯和二甲苯的含量。試驗(yàn)重復(fù)2次,取其平均值。

      1.3.3正交試驗(yàn)

      根據(jù)上述單因素試驗(yàn)得到的最佳條件,制備一定量的處理水,分3組放入2 000 mL燒杯,各加入 500 mL 待處理的水樣,按照表2、表3確定設(shè)計(jì)正交試驗(yàn), 以9、18、27 V的外加電直流壓靜置反應(yīng)10 h,取5 mL水樣經(jīng)正己烷萃取后,取上層有機(jī)萃取液放入氣相色譜儀進(jìn)行分析。進(jìn)行正交試驗(yàn)以確定最適鐵炭比、pH值、鐵炭投加總量以及外加直流電壓大小。

      2結(jié)果與分析

      2.1外加電場(chǎng)對(duì)Fe0修復(fù)苯和二甲苯污染地下水的影響

      外加電場(chǎng)對(duì)Fe0修復(fù)苯和二甲苯污染地下水的影響見圖1和圖2,在沒有外加電場(chǎng)作用條件下,苯在零價(jià)鐵投加量為 30 g 時(shí)達(dá)到最大去除率20.07%,二甲苯在零價(jià)鐵投加量為 5.0 g 時(shí)達(dá)到最大去除率50.97%。在外加直流電壓9 V的電強(qiáng)化作用下,苯的去除率最高達(dá)到43.22%,比單獨(dú)利用零價(jià)鐵處理苯水樣時(shí)提高了23.15百分點(diǎn)。二甲苯的去除率達(dá)7134%,較單獨(dú)利用零價(jià)鐵處理二甲苯水樣時(shí)的去除率提高了20.34百分點(diǎn)。零價(jià)鐵在與水接觸之后發(fā)生自動(dòng)還原的過(guò)程Fe-2e-→Fe2+,F(xiàn)e2+在氧化還原的循環(huán)過(guò)程中發(fā)生一系列自由基的鏈傳遞反應(yīng)形成羥基自由基(HO·)[27-28],呈現(xiàn)出極強(qiáng)的氧化性,為苯和二甲苯的吸附和遷移轉(zhuǎn)化提供了電子,另外羥基自由基在外加電場(chǎng)作用的特定條件下,可以和苯、二甲苯發(fā)生加成反應(yīng)[29],發(fā)生開環(huán)反應(yīng)并降解,促使苯

      和二甲苯的降解率增加。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,外加電場(chǎng)強(qiáng)化零價(jià)鐵處理組和無(wú)電場(chǎng)的零價(jià)鐵對(duì)照組間差異不顯著(P>005)。試驗(yàn)結(jié)果表明,外加電場(chǎng)能夠有效促進(jìn)地下水中苯和二甲苯的去除。

      2.2外加電場(chǎng)對(duì)活性炭修復(fù)苯和二甲苯污染地下水的影響

      外加直流電場(chǎng)對(duì)活性炭處理苯和二甲苯污染的影響見圖3、圖4。在外加直流電壓9 V的電強(qiáng)化作用下,當(dāng)100 mL苯處理水樣中活性炭的投加量為3.0 g時(shí),苯的去除率達(dá)到最大值55.03%,高于未施加外加電壓?jiǎn)为?dú)利用活性炭處理苯水樣時(shí)的最大去除率(29.23%,有外加電場(chǎng)作用下的苯去除率比沒有外加電場(chǎng)只有活性炭處理?xiàng)l件下的去除率提高了25.80百分點(diǎn)。在外加直流電壓9 V的電強(qiáng)化作用下,當(dāng) 100 mL 二甲苯處理水樣中活性炭的投加量為5.0 g時(shí),二甲苯的去除率達(dá)到最大值69.32%,高于未施加外加電壓?jiǎn)为?dú)利用活性炭處理苯二甲水樣時(shí)的最大去除率57.10百分點(diǎn),有外加電場(chǎng)作用下的二甲苯去除率比沒有外加電場(chǎng)只有活性炭處理?xiàng)l件下的去除率提高了12.22百分點(diǎn)?;钚蕴枯^大的

      比表面積以及微孔結(jié)構(gòu)使得活性炭本身具有較好的吸附能力,有利于地下水中苯和二甲苯的去除,外加電場(chǎng)也可以使有機(jī)物發(fā)生轉(zhuǎn)化,因此可以用來(lái)去除地下水中的苯和二甲苯,使得在外加電場(chǎng)作用下苯和二甲苯的去除率比沒有外加電場(chǎng)時(shí)活性炭單獨(dú)作用下的去除率有所提高。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,外加電場(chǎng)強(qiáng)化活性炭處理組和無(wú)電場(chǎng)的活性炭對(duì)照組間差異顯著(P<0.05)。試驗(yàn)結(jié)果表明,在外加電場(chǎng)的作用下,苯和二甲苯的去除率均比沒有外加電場(chǎng)只有活性炭處理?xiàng)l件下的去除率有所提高,苯的去除率提高了25.80百分點(diǎn),二甲苯的去除率提高了12.22百分點(diǎn)。表明外加電場(chǎng)能夠有效提高活性炭對(duì)苯和二甲苯的去除率。

      2.3外加電場(chǎng)對(duì)鐵炭混合修復(fù)苯和二甲苯污染地下水的影響

      圖5和圖6分別給出了在外加電場(chǎng)強(qiáng)化作用下混合鐵炭修復(fù)地下水中苯和二甲苯污染的情況。在25 ℃試驗(yàn)條件下,分別向100 mL苯和二甲苯處理水樣中投加鐵炭比為1 ∶[KG-*3]1的混合鐵炭0.5、1.0、3.0、5.0、10.0 g,對(duì)處理水樣分別進(jìn)行有 9 V 外加直流電壓和沒有外加電場(chǎng)作用的試驗(yàn),同時(shí)利用鐵電極在僅有外加直流電壓9 V的電場(chǎng)作用而沒有混合鐵炭參與的同一條件下處理濃度為100 mg/L的苯水樣和濃度為300 mg/L的二甲苯水樣作為對(duì)照,經(jīng)過(guò)10 h的外加電場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)只有外加電場(chǎng)作用時(shí)苯的去除率為5.63%,二甲苯的去除率為10.42%。造成這一結(jié)果的原因可能是在沒有投加混合鐵炭的情況下是利用工業(yè)鐵網(wǎng)作為電極,所選鐵電極并不是純鐵制成,可能還含有其他元素(包括炭),因此對(duì)地下水中苯和二甲苯有一定去除效果。

      [TPWXJ5.tif]

      由圖5可知,在外加電場(chǎng)強(qiáng)化作用下,地下水苯的去除率最高達(dá)到63.59%,高于未施加外加電場(chǎng)單獨(dú)利用鐵炭混合處理苯水樣時(shí)的最大去除率(44.72%),有外加電場(chǎng)作用下的苯去除率比沒有外加電場(chǎng)只有混合鐵炭處理?xiàng)l件下的去除率提高了18.87百分點(diǎn),而且高于只有外加電場(chǎng)作用沒有鐵炭混合處理時(shí)苯的去除率(5.63%)。

      圖6所示,在外加電場(chǎng)作用下,二甲苯的去除率最高可以達(dá)到82.13%,高于未施加外加電壓?jiǎn)为?dú)利用鐵炭混合處理二甲苯水樣時(shí)的最大去除率(65.23%),有外加電場(chǎng)作用下的二甲苯去除率比沒有外加電場(chǎng)只有活性炭處理?xiàng)l件下的去除率提高了16.90百分點(diǎn),也高于只有外加電場(chǎng)作用沒有混合鐵炭處理時(shí)二甲苯的去除率(10.42%)。

      [TPWXJ6.tif]

      外加電場(chǎng)強(qiáng)化鐵炭處理苯和二甲苯污染地下水的去除率高于單獨(dú)鐵炭和單獨(dú)外加電場(chǎng)處理苯和二甲苯污染地下水的效果之和,結(jié)果表明,外加電場(chǎng)起到了強(qiáng)化鐵炭微電解的作用,使地下水中苯和二甲苯的去除效率較單獨(dú)鐵炭混合以及單獨(dú)電場(chǎng)作用條件下的去除效率均有所提高。零價(jià)鐵作為強(qiáng)還原劑,可以直接吸附某些有機(jī)物,特別是在弱酸性溶液中,零價(jià)鐵豐富的比表面積顯出較高的表面活性,能吸附地下水中的苯和二甲苯?;钚蕴坑芯薮蟮谋缺砻娣e,因此具有很強(qiáng)的吸附能力,能吸附地下水中的苯和二甲苯。而且鐵炭結(jié)合具有微電解作用,鐵和炭之間存在電極電位差,使得水中的零價(jià)鐵和活性炭顆粒能形成細(xì)微原電池,這些細(xì)微電池以電位低的鐵成為陽(yáng)極,電位高的炭為陰極,在含有電解質(zhì)的水溶液中發(fā)生微電解反應(yīng)[30-31]。

      陽(yáng)極反應(yīng):Fe-2e-→Fe2+,E0(Fe2+/Fe)=-0.44 V;

      陰極反應(yīng):2H++2e-→H2,E0(H+/H2)=0 V。

      根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,外加電場(chǎng)強(qiáng)化鐵炭處理組和無(wú)電場(chǎng)的鐵炭對(duì)照組間差異不顯著(P>0.05)。這與“2.1”節(jié)中結(jié)果一致,說(shuō)明外加電場(chǎng)對(duì)苯、二甲苯的去除主要作用于零價(jià)鐵。外加電場(chǎng)能推動(dòng)鐵離子還原峰正方向移動(dòng),降低反應(yīng)過(guò)電位,促進(jìn)還原反應(yīng)快速進(jìn)行,通過(guò)外加電場(chǎng)的強(qiáng)化作用使鐵炭微電解效果大大增強(qiáng),加強(qiáng)了對(duì)含苯和二甲苯地下水的處理效果,使得外加電場(chǎng)強(qiáng)化鐵炭混合的去除率高于單純鐵炭混合時(shí)的去除率,再次強(qiáng)化了對(duì)含苯和二甲苯污染的模擬地下水的處理效果。

      2.4外加電場(chǎng)與鐵炭聯(lián)合修復(fù)地下水苯和二甲苯污染的最佳條件確定

      按照表2、表3設(shè)計(jì)聯(lián)合處理試驗(yàn),確定外加電場(chǎng)與鐵炭聯(lián)合修復(fù)地下水苯和二甲苯污染的最佳條件。

      試驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)100 mg/L含苯地下水處理水樣外加直流電壓18 V,在電強(qiáng)化作用下按照1 ∶[KG-*3]1.5的鐵炭比投加 5.0 g 混合鐵炭、pH值為5.5時(shí),聯(lián)合處理下,苯的去除率達(dá)到最大值(78.63%),高于單獨(dú)微電解法處理地下水中苯的去除率(4472%),也高于單獨(dú)電解作用下的去除率(5.63%)。

      對(duì)300 mg/L的含二甲苯地下水處理水樣外加直流電壓27 V,在電強(qiáng)化作用下按照1 ∶[KG-*3]1的鐵炭比投加5.0 g混合鐵炭、pH值為4.5時(shí),聯(lián)合處理下,二甲苯的去除率達(dá)到最大值(94.17%),高于單獨(dú)微電解法處理地下水中二甲苯的去除率(65.23%),也高于單獨(dú)通電試驗(yàn)條件下的去除率(10.42%)。

      結(jié)果表明,利用外加電場(chǎng)強(qiáng)化的修復(fù)地下水中苯和二甲苯效果優(yōu)于單獨(dú)微電解法(鐵炭)和單獨(dú)電解法(電場(chǎng)作用),并且外加電場(chǎng)強(qiáng)化的修復(fù)效果優(yōu)于單獨(dú)微電解法和單獨(dú)電解法之和。表明外加電場(chǎng)促進(jìn)了鐵炭修復(fù)的效果。

      3結(jié)論

      由于當(dāng)前水資源短缺,地下水污染對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響,修復(fù)地下水污染使之得到重新利用對(duì)于農(nóng)業(yè)灌溉已勢(shì)在必行。零價(jià)鐵、活性炭聯(lián)合參與去除苯和二甲苯的反應(yīng),不僅發(fā)揮了零價(jià)鐵自身氧化還原吸附有機(jī)物以及活性炭吸附有機(jī)物的作用,而且鐵炭結(jié)合具有微電解作用(鐵和炭之間存在電極電位差,發(fā)生微電解反應(yīng)),由陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)生的Fe2+和Fe3+經(jīng)氧化、沉淀而形成的水合物可作為絮凝劑發(fā)生絮凝沉淀反應(yīng),深度去除水中苯和二甲苯,其效果優(yōu)于單獨(dú)零價(jià)鐵和單獨(dú)活性炭的處理效果,加強(qiáng)了對(duì)含苯和二甲苯污染的模擬地下水的處理。而且,利用外加電場(chǎng)強(qiáng)化鐵炭微電解的修復(fù)效果,推動(dòng)鐵離子還原峰正方向移動(dòng),降低反應(yīng)過(guò)電位,促進(jìn)還原反應(yīng)快速進(jìn)行,使鐵炭微電解效果大大增強(qiáng),優(yōu)于單獨(dú)微電解法和單獨(dú)電解法的修復(fù)效果,加強(qiáng)了對(duì)含苯和二甲苯地下水的處理效果。

      根據(jù)正交試驗(yàn)確定在外加電場(chǎng)強(qiáng)化作用下鐵炭修復(fù)地下水中苯和二甲苯的最佳試驗(yàn)條件為處理含苯地下水的最佳鐵炭比為1 ∶[KG-*3]1.5,最佳pH值為5.5,在外加直流電壓為18 V時(shí),地下水中苯的去除率達(dá)到最大值78.63%,高于沒有外加電場(chǎng)時(shí)33.91百分點(diǎn);在鐵炭比為1 ∶[KG-*3]1、pH值為4.5、外加直流電壓為27 V時(shí),地下水中二甲苯的去除率達(dá)到最大值9417%,高于沒有外加電場(chǎng)時(shí)去除率28.94百分點(diǎn)。表明外加電場(chǎng)可促進(jìn)鐵炭對(duì)苯和二甲苯的去除效率,外加電場(chǎng)可進(jìn)一步加強(qiáng)鐵炭之間的微電解作用。

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