凝胶型和大孔型树脂基载Fe(Ⅲ)复合材料去除水中As(Ⅴ)的对比研究

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饮用水砷污染是一个重要的全球性环境问题。阴离子态的砷酸根是水中砷的主要存在形态之一,离子交换树脂可用于分离净化水中的砷酸根,但水中大量共存的阴离子会干扰砷的吸附分离,增高离子交换树脂的再生频率,降低使用寿命,加大使用成本。纳米级水合氧化铁(Hydrated Ferric Oxide,HFO)具有高反应活性和比表面积,且因富含表面羟基而对无机砷有较高的专属吸附性能,但是因颗粒细小易团聚、水力压降大、难以从体系中分离而限制了其在水处理中的应用。将纳米HFO固载到大孔强碱性阴离子交换树脂D201内部而合成的纳米复合材料HFO-201,结合了树脂荷电骨架富集效应和固载纳米颗粒专属吸附效应,对As(V)表现出高吸附选择性和吸附动力学性能。较D201大孔树脂而言,凝胶型阴离子交换树脂具有与大孔型树脂类似的官能团特征,同时具备更高的交换容量和较低的生产成本,但这一树脂材料可否作为纳米HFO的载体用于制备高性能复合除砷吸附剂还缺乏系统研究。  本文以目前水处理/水净化领域常用的凝胶型强碱性阴离子交换树脂201×4为基体,合成凝胶树脂基纳米HFO复合材料HFO-201×4,系统研究了新型纳米复合材料的结构特征和理化性能,并重点比较了HFO-201×4与大孔树脂基纳米复合材料HFO-201对水中As(V)的深度净化性能。  研究表明,HFO-201×4上负载的纳米HFO为无定形针状。负载HFO后凝胶型树脂孔结构显著增多,比表面积提高约37倍,单位孔容提高40多倍,且比表面积、单位孔容及孔径分布等均与HFO-201类似。负载HFO纳米颗粒后凝胶树脂201×4在NaCl和NaOH溶液中的体积变化率分别从7%、14%降低到6%、10%,均与HFO-201类似。静态批次试验表明HFO-201×4对As(V)的吸附容量与吸附速率常数均略高于HFO-201,且表现出对天然有机物(NOM)较高的抗污染性能。固定床试验表明HFO-201×4对模拟As(V)污染水的处理容量显著高于HFO-201,处理容量提高约1倍。采用5BV质量分数为5wt.%NaOH-NaCl混合溶液可实现对HFO-201×4的稳定循环再生。考虑到凝胶树脂相对于大孔树脂更低的生产成本与更优的工作性能,HFO-201×4有望成为新一代高性能水体除砷材料。
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