锆基生物质复合材料的制备及除砷研究

论文总字数：18845字

目 录

摘要 1

1 前言 3

1.1水体砷污染的来源及危害 3

1.1.1 水体砷污染的来源 3

1.1.2 砷污染造成的危害 3

1.2 当前我国主要的除砷方法与除砷技术 4

1.2.1 混凝沉淀法 4

1.2.2 离子交换法 4

1.2.3 生物法 4

1.2.4 膜分离法 5

1.2.5 吸附法 5

1.3 锆基生物质复合材料 5

1.4 本实验的研究目的及内容 6

1.4.1 研究目的 6

1.4.2 研究内容 6

2 实验材料与方法 8

2.1 仪器与材料 8

2.1.1 实验仪器与设备 8

2.1.2 主要原料与药品 9

2.2 实验方法 9

2.2.1 St-N制备步骤： 9

2.2.2 St-N-Zr制备步骤： 10

2.2.3 实验设计 10

2.2.3.1 吸附等温线 10

2.2.3.2 pH影响实验 10

2.2.3.3 竞争离子实验 11

2.2.4 砷酸根测定方法 11

2.2.5 材料表征方法 12

3 实验结果与讨论 13

3.1 材料表征 13

3.2 吸附等温线 15

3.3 pH影响实验 17

3.4 竞争离子实验 18

4 结论与展望 21

4.1 结论 21

4.2 问题及展望 21

参考文献 22

致谢 23

锆基生物质复合材料的制备及除砷研究

石炎

，China

Abstract: Arsenic is a kind of heavy metal element which is widely distributed in nature. With the development of modern industry and agriculture, arsenic and its compounds are widely applied in pesticides, herbicides, insecticides, wood preservatives, a variety of semiconductor materials and alloys. As a result, the arsenic contamination is increasing day by day. Arsenic and its compounds is highly toxic, and its toxicity is closely related with its form. In general, inorganic arsenic is more toxic than organic arsenic. It has become a urgent subject that we have to develop and choose a proper method to control the arsenic contamination. In this paper, we put forward a novel adsorption arsenic removal method through a brief introduction and comparative analysis of existing methods of arsenic removal. The adsorbent material is Zirconium-based biomass composites. Studies have shown that compared with other methods, it has a lot of advantages to removal the arsenic in water using the aminated biomass which is loaded with hydrous zirconium oxide. It has a high adsorption efficiency, low cost, can be recycled and friendly to environment and so on. It can also solve the resource issues of straw, so it has a good potential for development. The paper also describes the method of preparing the Zirconium-based biomass composites and verify the absorption performance of removal arsenic in water by this kind of absorbent. Experimental results show that: The maximum adsorption capacity of the composite material is 159.96mg/g；it has good adsorption properties in the acidic environment; the amount of the adsorption is gradually increased with the decrease of pH, and the optimum pH=2. In the case of the presence of ions, such as HCO₃^-、SO₄^2-、NO₃^-, the material still has a high adsorption capacity,it can reach 75% of the original adsorption capacity.

Keywords: arsenic; zirconia; zirconium-based biomass composites; adsorption

1 前言

1.1 水体砷污染来源及其危害

1.1.1 水体中砷污染的来源

近年来，随着我国工农业的迅猛发展，大气污染问题和水体污染日益严重，在众多污染中，水体砷污染，因为其强烈的危害性，已成为一个全球性的环境问题。统计得知，世界上每年大约有十余万吨砷排入水体。在亚洲，尤其是在东南亚，砷污染造成的危害最大。有调查显示，在总人口不多的孟加拉国就有几千万人饱受砷污染带来的危害，疾病缠身；按照WHO的水质砷标准，我国的砷污染情况也不容轻视，受砷污染困扰的人数达千万之多^[1]。

水体中砷主要来自于工业“三废”、农业生产和自然现象如火山喷发、岩石风化等。工业生产过程中会产生并排放大量废气、废水和固体废物，这些工业过程中产生的垃圾通常含有大量砷化物，而这些砷化物正是砷污染的主要诱因。在早期，这些砷化物很多未经合理处理就排放到自然环境中，对自然环境造成了极大地危害。含砷废水外排会导致水体砷含量超标；含砷废气外排放到大气中，砷化物通过沉降、物理、化学作用富集，会导致地表水体中砷浓度超标。堆埋场防渗措施不到位；含砷废渣散堆在室外，受到雨水冲刷，含砷渗滤液会流入地表径流和地下水等都导致砷含量超标。农业生产活动中经常会使用含砷有机农药，这些有机砷农药的过量喷洒，会导致砷面源污染的发生。砷类物质的大量使用使得地方性砷中毒事件日益频发,砷污染逐渐成为全世界关注的焦点^[2]。

自然环境中，砷化物会因岩石侵蚀和火山活动进入自然水体，而改变地表水体水质。工业、农业生产活动是引发水体砷污染的主要因素。由于砷污染越来越严重，近年来我国频繁发生严重的砷污染事件，比如民权县砷污染、阳宗海砷污染等^[3-4]。这些事件的发生使得预防与治理水体砷污染成为当今研究的热门课题。

1.1.2 砷污染造成的危害

砷和砷化物因为具有高毒性,已被国际癌症研究机构(IARC)和美国疾病控制中心(CDC)定义为第一类致癌物^[5]。砷主要以可溶性砷化合物的形式存在于水体中。砷化物的毒性强弱与砷化物的形态有关。实验表明，水体中的三价砷的毒性远远强于五价砷的毒性；甲基化的有机砷与无机砷相比，毒性较低。水体中的砷大部分是通过食物链和饮水进入人体。三价砷能与人体酶类结合，会抑制酶活性，进而引起人体代谢紊乱，甚至会对神经系统造成伤害。砷会降低具有重要生理功能的多种酶的活性。高浓度的砷会抑制胆碱酶活力，影响脂肪代谢活动。五价砷毒性作用较低，能破坏线粒体正常功能，导致人体出现多发性神经炎、脊髓炎、再生不良性贫血等后遗症^[6-8]。

通常情况下，大气、水体、土壤、植物和人体中都含有微量砷，少量砷对人体没有危害。但是当摄入量大于排出量，砷就影响人体肝、肺、肾、子宫、骨胳、肌肉等部位的正常功能，尤其是在毛发、指甲中蓄积时，会引发慢性砷中毒。砷有毒且致癌，会诱发皮肤癌。砷化物(如二甲基胂酸钠)是强致癌物，能导致动物胚胎死亡，胎仔体重减轻和畸形^[9]。综上所述，水体砷污染在我国乃至全世界情况严重，对环境和人体造成了巨大的不良影响.砷污染治理已越来越受到人们的重视。研究开发经济高效砷污染处理技术，对人类的长远发展具有深远的意义。

1.2 当前我国主要的除砷方法与除砷技术

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