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不同滤料填料过滤去除城市雨水径流中的重金属

日期:2018-10-19 14:30浏览次数:10

       已被确定为城市雨水径流的主要途径之一中引入污染源雨水污染物接收水域。这是由于发展和城市化造成的,城市径流的数量和质量都受到影响,而城市径流的体积和污染物负荷都更高,城市雨水污染的原因已经被广泛研究,导致了与人类活动相关的结论。因此,土地利用强度、防渗程度和土壤类型是影响城市雨水生成的因素。另一方面,降雨强度、持续时间和频率等气候条件也很重要。
       很多研究已经证明大气沉积是水生系统有机和无机污染物的重要来源,大气沉积可分为湿沉积和干沉积。干燥沉积是指灰尘、气溶胶和气体从大气直接转移到地面。密度较大的颗粒在城市表面下降并堆积。另一方面,湿沉降是由于雨雪含有从大气中滤出的物质。
       美国环境保护署在上世纪70年代末启动了国家城市径流计划确定Cd、Cu、Pb、Zn、Cr和Ni等重金属是城市雨水中最普遍的优先污染物。除了重金属,雨水中还含有颗粒、营养物质和有机污染物。此外,颗粒或悬浮固体(SS)具有特殊的利益,因为它们作为其他污染物的载体。城市环境中的金属来源众多,金属释放机制复杂。然而,建筑表面被认为是Pb、Cu、Zn Ni和Cd的重要来源,因为它们很容易以可溶性形式从氧化金属表面去除。此外,锌浓度也依赖于大气沉积和交通。铜除了屋顶腐蚀外,车辙排放也是一个很好的来源,因为它是屋顶延伸良好的建筑材料。另一方面,尽管自从从汽油中去除铅以来,铅浓度已经下降了,铅浓度仍然显著地依赖于油漆的年龄和状况。关于镉,主要来源是湿大气沉积。

过滤材料

       下面将要说明一些相对较低成本的过滤材料,水处理中被用作去除重金属的过滤器。这些过滤材料是很好的吸附剂,可以取代一些实际成本较高的去除重金属的材料或者方法。

•松树树皮

       松树皮是一种天然产品,不添加任何化学制剂。因此,它是一种可生物降解的材料,如果污染水平不高到足以污染土壤,可以在使用后堆肥。它对不同的石油副产品和清洗液具有很高的吸收能力。由于不吸水,可作为雨水处理过滤材料。
图1松树皮
       在下表中描述了一些关于材料的技术信息(表1)

内容 体积重量 粒径大小
85% - 90%的松树皮(经分类、干燥、成粒)
0 - 15%松木
0,25 Kg/dm 3 < 0,25 mm,7.5%
> 0,25 mm < 5,0 mm, 76.2%
> 5,0 mm,16.3%
 

•氢氧化铁

       为颗粒状物质,主要含量为Fe3+浓度,约44%。它以前被用作水处理材料,主要用于过滤床,因为它能有效地吸收多种金属。吸附过程由气体或液体(溶质)组成,它们聚集在固体表面(吸收剂),形成分子或原子膜(吸收剂)。其中,重要的是要突出高功率的去除杂质,易于使用,紧凑,低能源需求和小体积的废物。另一方面,它的缺点是成本很高,可能需要重新生成,处理使用过的媒体可能成本很高,并且有专门的规定,而且,这种颗粒不溶于水。
       下表是氢氧化铁产品的一些信息(表2)。

内容 容积密度 粒径大小
铁44%,Fe 3+ 1,20 Kg/l 2,0 – 0,85 mm,92.7 %
< 0,85 mm,5.9 %
> 2 mm,1.4 %
 


图2 粒状氢氧化铁

•纳米纤维

       纤维素的任何来源都可以用来制备纳米纤维素,但最常用的是木浆。通过机械方法将纳米纤维素纤维从木质纤维中分离出来。纳米纤维素(NC),其截面直径约1-100 nm,长度为微米量级。与普通纤维素纤维相比,NC具有结晶度高、表面积大、光学性能独特、杨氏模量高等优点。此外,它还具有生物材料的优良特性,如轻质、可降解、生物相容性和可循环利用等。纤维素易浸湿,吸水率高。

•泥炭

       泥炭基本上是由部分腐烂的植被或源自泥炭地自然区域的有机物堆积而成。泥炭地生态系统被认为是最有效的碳汇,因为泥炭地植物吸收了从泥炭中自然释放出来的二氧化碳,并保持了平衡。主要含有泥炭的土壤被称为有机土,主要含有有机物质。泥炭是在湿地条件下形成的,在湿地条件下,水的泛滥会阻碍氧气从大气中进入,产生厌氧状态,从而降低分解速率。

•粘土颗粒

       粘土是一种细粒度的天然岩石或土壤材料,结合了一个或多个粘土矿物和微量的金属氧化物和有机质、粘土的化学成分和其他属性中可以看到使用下表(表4)。地质粘土矿床大多是由层状硅酸盐矿物与不同数量的水被困在矿物结构,由于含水量,粘土是塑料材料。
       粘土可以通过大小和矿物学上的差异从其他细粒土中区分出来。所使用的粒状粘土的粒径范围为2 - 6毫米。表3是粘土的化学成分和性质
SiO2 Al2O3 Fe2O3 K2O MgO CaO P2O5 pH 容积密度 含水率
67% 14,6% 5,6% 3,5% 1,6% 0,9% 0,1% 5–6,5 1150 Kg/m3 2-5%
 

•火山岩

       火山岩是一种浮石,由高度泡状粗糙的火山玻璃组成,其中可能包含或不包含晶体。浮石是由火山喷发出的高温高压岩石形成的。浮石不寻常的泡沫结构是由于快速冷却和快速减压同时发生的。在下表中可以看到材料的化学含量。(表4)

SiO2 Al2O3 Fe2O3 K2O MgO CaO P2O5 pH 容积密度
75,1% 15,3% 6,5% 2% 0,6% 2,8% 0,1% 6,4 650 Kg/m3

 

图3 火山岩

过滤材料对重金属的潜在吸附

       通过吸附去除重金属是处理暴雨水最有前途的技术之一,因为传统的去除水溶液中金属的方法对于去除低浓度的金属离子不划算。吸附(或过滤)是指水中溶解的分子附着在单个土壤颗粒表面的现象。可以这样说,溶质(溶解的污染物分子)附着在吸附剂(颗粒被吸附的介质)上的部分形成了吸附剂(物质吸附)。表面吸附可以是物理吸附、化学吸附或交换吸附。物理吸附由范德华力产生,是一种容易分离的弱吸附。化学吸附是通过化学结合形成的,吸附的分子附着在吸附剂表面的特定反应部位,是一种强结合。最后,交换吸附是通过吸附物与表面之间的电吸引产生的。

几种过滤材料吸附重金属的结论

-松树树皮

       结果表明,松皮对重金属吸附性能良好。此外,由于它是锯木厂的副产品,它是一种低环境影响的低成本高效材料。实验证明,用松树树皮材料与模拟中所面对的铅、铜和锌进行了对比试验。研究人员指出,吸附过程主要是由于离子交换机制。此外,金属吸收中的离子交换取决于可交换离子的数量。在松树树皮中,钙、钾和镁的电位最高。这三种金属的吸附能力不均匀,铅含量最高的金属是铅(Pb2+),其次是铜(Cu 2+)和锌(Zn2+)。此外,随着溶解金属的初始浓度的增加,吸收百分率降低。对于铅来说,还原反应没有铜和锌那么剧烈。主要原因是铅具有很高的形成复合体的能力,而且它更难与树皮表面的活性位点结合。
       实验人员对松树树皮中镉(cd2 +)的潜在摄取进行了研究指出,主要的吸收是通过使用非常细的松树树皮颗粒来实现的,因此颗粒大小具有重要的作用。此外,实验表明,镉的吸收与镉浓度成正比,与树皮浓度成反比,接触6小时后达到平衡。换句话说,主要摄取的是树皮浓度低和镉浓度高。在铅、铜、Pb 2+ > Cd 2+ > Cu 2+ > Zn 2+前分别放置镉吸收电位。
许多研究者认为重金属的结合依赖于pH值。对镉的最大吸收范围为4-5,鞣质的含量是树皮的有效成分,因为它起着弱酸性离子交换的作用,两个氢离子被每个二价离子所取代,这就是吸附后pH值降低的原因。这一现象后来得到证实,因为从11种不同的吸附剂中,唯一的一种在批量实验中pH值降低的是树皮。最后,松树皮是一种很好的过滤材料,证明了它对几种金属离子的高吸附能力。通过减小颗粒尺寸和预加载另一种重金属离子,可以获得更高的性能。单宁含量被认为是产生如此好的效果的主要原因。

-颗粒状氢氧化铁

       据报道,颗粒状氢氧化铁(GFH)的主要用途之一是去除砷酸盐。然而,研究人员发现该滤料在其他10种吸附剂中,对As、Cd、Cr、Cu、Ni和Zn进行了批量试验。总体性能被评为最佳产品之一,除铬效果特别好,对镉、镍、锌仍然有效。结果表明,随着初始浓度的提高,大多数批次的重金属去除量都有所增加。pH值被调整为6,5,以类似于最低的真实暴雨径流pH值,但在实验平衡时,pH值接近于零电荷点(该材料的pH值在7,5 - 8之间)。这一事实表明,吸着剂表面的静电吸引和络合物的形成是去除机理。之后也证实了这种去除机制,并指出吸附实验的pH值在很大程度上受吸附矿物和羟基释放的控制,羟基是与重金属形成的复合物。此外,随着重金属矿物/盐的析出,表明吸附去除过程不再是主要过程。最后证实,氢氧化铁吸附剂,可以有效去除镉、铜和镍,但金属吸收的顺序是不同的。

-纳米纤维

       实验研究了NC纤维对镉、镍、铅的吸附潜力。三种二价阳离子的初始浓度在1 ~ 50mg /l之间,摄取也相应增加,但由于初始浓度的增加,结合位点迅速饱和,所以没有一次主要摄取达到25mg /l以上。大量的OH游离基增强了这种结合,使静电与二价阳离子金属相互作用。离子结合是由范德华力和离子交换过程驱动的。而且,达到最大吸附所需的时间被确定为40min,纳米纤维素的优点是至少可以在三个吸附和解吸周期中使用,而不会显著降低性能。最后,不同二价离子的吸收序列为Pb> Cd> Ni,吸附率大于85%。

-泥炭

       泥炭与其他天然吸附剂材料相比,泥炭对重金属的吸附能力较高,研究已有25年以上。性能取决于泥炭的类型和溶液特性(pH、离子浓度和离子强度),研究通过分批试验研究了铜、镍和镉作为单组分、双组分和三组分的保留。泥炭含有木质素和纤维素,但木质素含有酸、腐殖质和富里维克等极性官能团(Sen Gupta等,2009)。腐殖酸分子呈球形,能形成具有非常大比表面积的多孔集料,通过离子交换、络合和吸附来提高重金属离子的去除率,但是研究中并未发现泥炭中的金属离子结合是如何起作用的,而且从泥炭释放质子为重金属阳离子的附着提供了更有效的吸附位点,接触时间为20-60分钟后,吸附百分率增加至6 - 7,达到最大吸收平衡。
       由于离子间的排斥力作用,双组分和三组分的吸收量低于单组分。三种组分间的能力对cu2 + > Ni 2+ > Cd 2+的亲和力序列具有抑制作用。换句话说,铜对泥炭的吸附优于镍和镉,而镍对镉的吸附优于镍。用Pb>、Cu>、Ni>、Cd> Zn的最终序列,对泥炭进行了铅和锌的对照试验。研究发现,测量到的阳离子交换能力比文献中使用的其他泥炭要低得多,其原因可能与退化程度有关。腐殖酸分解程度越高,富里酸的存在程度越高,而质子的贡献则是腐殖酸的两倍。此外,初始浓度也会影响泥炭的吸收。在低金属浓度时,金属离子开始被吸附,另一方面,随着初始浓度的增加,自亲和位点饱和后,吸收量减少。

-火山岩

       火山岩具有大面积、高吸水能力和负电荷面等特点,适合去除金属。研究分别分析了批量实验中使用浮石去除水溶液中的镍和镉。在不考虑初始浓度的情况下,120分钟后达到平衡,而将接触时间设置为24小时,12小时后没有明显增加。两项研究均表明,随着初始浓度的增加,获得的吸收率较高,但吸附效率降低。对于摄取与pH的关系,主要摄取的pH值为6。值得一提的是pH值超过7时,镉析出为氢氧根。此外,在pH值较低时,镉离子与被质子化的吸附剂的氧化物基团之间的竞争影响了对镉的吸收。这在之前研究中也可以看到,在这里分析的金属是镍而不是镉,在这种情况下,最佳pH值在4到6之间。此外,研究了三种不同的金属系统(镍、镉和铜)之间的竞争,通过与单一金属系统相比,它们之间的吸收率显著降低,证明了它们之间的竞争能力。最后,以Cu> Ni> Cd作为去除的亲和序列。
 

过滤材料对雨水中重金属吸附性能的总结

       综上所述,下表收集了在可能的情况下分析的不同材料的金属去除的平衡时间和亲和力序列(表5)。此外,最佳pH也包括在内,但它可能只与单个金属系统有关,所以它是指一种特定的物质。最后,受污染水的雨水径流pH值范围为4.5-8。

材料 平衡时间 吸附能力排序 PH
松树皮 6h Pb> Cd> Cu> Zn 4 – 5,5
GFH 48h Cr> Cd> Zn> Ni> Cu -
纳米纤维 40min Pb> Cd> Ni 6 – 6,5
泥炭 20-60min Pb> Cu> Ni> Cd> Zn 6 – 7
火山岩 120min Cu> Ni> Cd 4 – 6