三種吸附劑去除水體土霉異味的比較研究

1、三種吸附劑去除水體土霉異味的比擬研究論文導讀:：能有效地吸附水體中的異味物質【6】。土霉味是飲用水中經常被市民投訴的問題之一。粉煤灰和膨潤土等材料由于來源充足。粉煤灰土霉味，膨潤土，粉煤灰，高錳酸鉀復合藥劑，粉末活性炭水體異味問題是常見的水環(huán)境問題之一。土霉味是飲用水中經常被市民投訴的問題之一。在引起水體土霉味問題的化學物質中，以土腥素(trans-1,10-dimethyl-trans-9-decalol，geosmin)和2-甲基異莰醇(2-methylisoborneol，MIB) 最為常見且最難以去除。人的嗅覺對其極為敏感，只要水中含有痕量的geosmin和MIB便能感覺，其被人感知的

2、閾值分別大約為4 ng-L-1和10 ng-L-1。常規(guī)水處理工藝，例如混凝、沉淀和過濾等，都不能有效地除去飲用水中的土霉味【1】，曝氣也只能去除局部異味。近些年來，已開展了一些飲用水及湖泊的異味控制和去除方法資助基金：國家重點根底研究開展方案資助工程(2021CB418101, 2021CB418006)；國家自然科學基金資助工程(20807055, U0833604)；中國科學院知識創(chuàng)新工程青年人才領域前沿工程。研究，主要有活性炭吸附、化學氧化、光催化氧化【4】和生物降解【5】等。使用化學氧化法對飲用水中異味去除有很多報道土霉味，但使用化學氧化處理飲用水異味不僅增加了處理費用，而且不同氧化

3、劑去除效果也有差異,同時原水中的其他有機物或者藻類會與氧化劑反響,容易產生消毒副產物。光催化氧化和微生物降解MIB和geosmin在實驗室獲得了成功，但目前難以在水處理工業(yè)大規(guī)模應用。活性炭，包括粉末活性炭(PAC)和顆?；钚蕴?GAC)，能有效地吸附水體中的異味物質【6】，但是使用活性炭處理飲用水異味本錢很高。因此，很有必要研制新的適用于水處理工業(yè)的土霉味去除的低本錢吸附劑。粉煤灰和膨潤土等材料由于來源充足，具有使用方便、本錢低等特點，近年來在環(huán)境方面有很多應用，例如，吸附金屬離子、酚類化合物、殺蟲劑和有機染料等，但作為吸附劑在去除水體土霉異味方面報道甚少。本研究用粉煤灰和膨潤土活化后作為吸

4、附劑吸附土霉異味MIB和geosmin，并與高錳酸鉀復合藥劑和粉末活性炭吸附土霉異味的效果進行比擬。2材料與方法2.1實驗材料實驗中的MIB和geosmin能夠同時產MIB和geosmin【7】。MIB和geosmin含量分別為1064 g-L-1和1802 g-L-1。放線菌培養(yǎng)方法見文獻【7】。將放線菌培養(yǎng)液用0.22 m膜Millipore過濾，4 保存。粉煤灰為木質活性炭。高錳酸鉀復合藥劑由鄭州綠水源科技生產。2.2實驗儀器XRD分析儀RigakuD/MAX-IIIA，日本理學)；比外表孔徑分析儀COULTER SA3100，Beckman Coulter，美國；氣相色譜儀GC17AA

5、TFW-V3，Shimadzu，日本，色譜柱為DB-5,5苯甲基聚硅氧烷彈性石英毛細管柱(30mx0.25mmxID 0.25m film)；pHS-3型離子酸度計，上海雷磁。2.3 實驗方法將膨潤土粉碎土霉味，膨潤土和粉煤灰過200目篩;將膨潤土參加20%質量比硫酸中攪拌30 min，再參加一定量的粉煤灰，繼續(xù)攪拌30min，得到混合物。將混合物進行過濾，超純水洗滌至中性，枯燥獲得混合吸附劑。準確稱量一定量的吸附劑參加到250 mL錐形瓶中，參加100 mL含有放線菌培養(yǎng)液的超純水，MIB和geosmin濃度為50-250 ng-L-1,參加適量吸附劑，用PTFE膜封口，251攪拌60 mi

6、n后離心，取上清液進行分析,計算吸附效率。水體MIB和geosmin的提取與測定采用頂空固相微萃取-氣相色譜法HSPME-GC-FID。首先在125 mL萃取瓶Supelco, Sigma-Aldrich公司，美國中參加一個微型磁轉子，然后參加適量的離心上清液，參加約30%質量比的NaCl，立即用帶有聚四氟乙烯PTFE涂層的硅橡膠墊的瓶蓋Supelco, Sigma-Aldrich公司，美國密封。將萃取瓶放入60的恒溫水浴裝置中，頂空固相微萃取30 min。GC-FID的分析條件為：載氣為高純N2，恒壓135 k Pa；進樣口的溫度為250 ；無分流進樣2 min；程序升溫條件為：初溫60 ，

7、保持2 min，以5 /min 的速度升至200 ，保持2 min，再以20/min的速度升至250 ，保持2 min。FID檢測器的溫度為270 。3結果與討論3.1合成吸附劑的吸附效果保持吸附劑總量為20 mg-L-1土霉味，硫酸濃度為20% (m/m)，改變粉煤灰和膨潤土的比例，制備一系列吸附劑，結果說明膨潤土與粉煤灰單獨活化吸附效果并不理想，但在某一比例吸附效果較好。然后選取最正確比例的吸附劑，稱取不同量的吸附劑在pH 8.0溶液中吸附放線菌產生的異味，測定吸附后的MIB和geosmin的含量，計算吸附效率，結果見表1。從表1可以看出，在吸附劑為15mg-L-1時吸附量最大，MIB與g

8、eosmin的吸附效率分別為59.9%、63.7%。當吸附劑量繼續(xù)增加時，吸附效率下降，分析可能的原因是吸附劑量增大時吸附劑發(fā)生聚集，比外表積下降，吸附效率降低。表1合成吸附劑最正確吸附量的吸附效果Table 1 Effect of the adsorbent dose on the adsorption efficiency ofMIB and geosmin 5 mg-L-1 10 mg-L-1 15 mg-L-1 20 mg-L-1 25 mg-L-1 40 mg-L-1 MIB 11.3% 15.6% 59.9% 53.8% 52.6% 53.6% geosmin 12.4% 19.4

9、% 63.7% 56.8% 55.4% 54.0% 3.2 吸附機理粉煤灰酸化后比外表積增加，酸化前由26.6 m2-g-1增加到酸化后66.4 m2-g-1。酸化后粉煤灰外表變得粗糙，增加許多凹槽并產生了空洞，增加了粉煤灰顆粒的比外表積。酸化之后的膨潤土的比外表積也有增加，由酸化前的18.6 m2-g-1增加到73.9 m2-g-1，Sale和Karimi也有類似報道。酸活化改性后可除去分布于蒙脫石通道中的金屬氧化物或無機鹽等雜質，使孔道得到疏通，有利于吸附質分子的擴散。另一方面，用酸處理膨潤土時土霉味，氫原子半徑較小,故體積較小的氫離子可置換膨潤土層間的Na+、Mg2+、Ca2+、K+等離

10、子,從而削弱了原來層間的結合力，使層間晶格裂開、層間距擴大，因而改性后膨潤土的比外表積和吸附性能顯著提高。膨潤土和粉煤灰兩者按照一定比例混合后比外表積增加到63.5 m2-g-1,但其微孔體積增加，酸化后膨潤土和粉煤灰的微孔體積分別是0.004 cm3-g-1和0.002 cm3-g-1，混合后吸附劑微孔體積為0.007 cm3-g-1。吸附劑的吸附效率提高與吸附劑的微孔體積和中孔體積增加有關。XRD圖譜說明活化前膨潤土d001為1.533 nm,活化后膨潤土的d001為1.555 nm。由底面間距(d001)減去膨潤土硅酸鹽結構的厚度(0.96nm)即為膨潤土的層間距，由此計算出活化前和活化

11、后的膨潤土的層間距分別為0.573 nm和0.596 nm?；罨蟮呐驖櫷恋膶娱g距與MIB和geosmin的分子尺寸相近0.59nm,而活化前層間距小于MIB和geosmin的分子尺寸，因此活化后MIB和geosmin能夠進入蒙脫石的晶層間，提高吸附效率提高。3.3高錳酸鹽復合藥劑去除異味實驗本實驗在溶液中參加不同量的高錳酸鹽復合藥劑去除土霉異味，實驗結果見圖2。圖2說明，PPC對MIB和geosmin有一定去除作用，在濃度為20 mg-L-1時，其去除MIB和geosmin的效率分別為32.9%和45.5%。高錳酸鹽復合藥劑PPC去除水體嗅味已有一些文獻報道。高和氣報道該藥劑是一種高錳酸鉀和

12、經鍛燒、炭化、球磨的多孔炭類物質的復合藥劑,其中高錳酸鉀能將致嗅有機物氧化為惰性物質,多孔炭類物質具有的微孔結構能吸附有機物及氧化的中間產物。而梁存珍認為，高錳酸鉀的氧化能力缺乏以把MIB和geosmin氧化去除低于10%。李學艷等報道，當MIB濃度為25 g-L-1時,接觸3 h后單純使用KMnO4發(fā)現(xiàn)氧化效率很低,當KMnO4投量高達50 mg-L-1時,MIB氧化去除率為10%。因此，我們認為高錳酸鹽復合藥劑去除土霉異味的主要原因還是多孔炭類物質的吸附作用。圖2. 高錳酸鹽復合藥劑PPC吸附效果Fig.2 Effect of PPC on the adsorption efficienc

13、y of MIBand geosmin3.4粉末活性炭吸附實驗試驗了粉末活性炭對MIB和geosmin的吸附，結果見圖3。結果說明，PAC的吸附效果比擬好。在PAC質量濃度為15 mg-L-1時MIB和geosmin的去除率分別為79.0%和85.0%。這可能與PAC的比外表積很大有直接關系。該活性炭的比外表積到達了839.23m2-g-1，巨大的比外表積使活性炭的吸附效果明顯強于其它吸附劑。MIB和geosmin在PAC吸附效率不圖3. 粉末活性炭PAC的吸附效果Fig.3. Effect of PAC on the adsorption efficiency of MIB and geos

14、min同在于它們的結構不同, geosmin由于其溶解度和分子量較低，并且其分子是平面結構，導致它容易進入活性炭的裂隙狀分子空隙。文獻指出，geosmin和MIB的吸附主要發(fā)生在活性炭的微孔中。一般來講，比外表積越大，吸附容量越大；微孔結構越多土霉味，吸附性能越好。3.5 本錢估算膨潤土價格180元/噸；粉煤灰價格45元/噸，吸附異味效果較好的粉末活性炭無煙煤材質5500元/噸。按照膨潤土和粉煤灰的本錢，加上其他的藥品價格硫酸，膨潤土粉碎本錢等、人工本錢和設備折舊等,混合吸附劑本錢約為400元/噸。如果去除含MIB濃度為100 ng-L-1的10000 m3水體/d，使用混合吸附劑本錢每天為1

15、00元左右。按照Liang報道的使用20 mg-L-1的PAC去除含MIB濃度為100 ng-L-1的10000 m3水體/d的本錢約為1470元人民幣/d。因此，去除相同量的土霉味使用混合吸附劑的本錢約為粉末活性炭的1/15。4結論1.在粉煤灰和膨潤土組成的不同比例混合吸附劑，膨潤土和粉煤灰單獨采用硫酸活化吸附異味物質的性能并不好，但活化后混合吸附性能明顯增加。2.在三種吸附劑去除土霉異味中，粉末活性炭的去除效率最高，合成吸附劑次之，高錳酸鉀復合藥劑去除效率最差。3. 相比于粉末活性炭，本文制備的吸附劑去除土霉異味物質的本錢要低得多，因此使用該吸附劑將極大節(jié)約水處理本錢，具有廣闊的市場前景。

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