化学合成及废物基锰氧化物对不同形态砷的去除转化机制

为探究不同类型锰氧化物与As（砷）的交互作用,采用沈阳某饮用水处理厂除锰滤池运行周期结束后产生的废料（滤料和管道沉淀物）和化学合成水羟锰矿、酸性水钠锰矿作为不同类型的锰氧化物,研究化学合成及废物基锰氧化物对不同形态As的去除转化机制.结果表明:锰氧化物的投加量为0.20 g时,管道沉淀物对As（Ⅴ）的吸附量为90 μg,远小于水羟锰矿、酸性水钠锰矿和滤料的191、192、176 μg吸附量,而且管道沉淀物2 h内不能够完全氧化溶液中As（Ⅲ）.四种锰氧化物对As的吸附都更符合准二级动力学方程,说明去除过程是一个快速吸附和慢速吸附相互叠加的过程,包含外部液膜扩散、表面吸附和颗粒内扩散等.水羟锰矿、酸性水钠锰矿和滤料有较好锰氧化物晶型,管道沉淀中SiO₂是主要晶型,滤料晶型和酸性水钠锰矿一致,但是形貌结构却差别很大.四种锰氧化物的Mn平均氧化度较高,分别为3.90、3.89、3.84和3.71.研究显示,滤料作为废物基材料可以替代化学合成的水羟锰矿、酸性水钠锰矿实现对水体中As的去除,达到废物材料的再利用及含As水体修复的协同处置.      

催化氧化NO催化剂Mn/ZrO2的制备与性能研究

以二氧化锆为载体负载锰氧化物,制备了MnO x/ZrO2催化剂用于催化氧化法(SCO)脱除烟气NO,考察了制备条件和反应条件对催化剂SCO活性的影响.同时,采用N2吸附、SEM、XRD及XPS等手段对催化剂理化性质进行了表征.结果表明,采用等体积浸渍法,以硝酸锰作为前驱体制备的Mn8/ZrO2/450催化剂在300℃、空速15000 h-1条件下,NO转化率可达84%,表现出较好的NO氧化活性.催化剂的主要活性组分为MnO2,在催化剂载体表面上呈现出较好的分散度.对催化剂进行了NO等温吸附与程序升温脱附,结合程序升温表面反应(TPSR)实验,探讨了催化剂表面NO催化氧化机理.研究发现,NO在该催化剂表面主要以吸附态反应,在含氧气氛中吸附态NO的氧化速率高于脱附速率,表面NO2的脱附峰温与最佳SCO活性温度相吻合.上述结果表明,NO转化过程速率受氧化产物NO2的脱附步骤控制,表面反应为快速步骤.     

夏秋季混凝剂对复合锰氧化膜去除地表水中氨氮和锰的影响

在夏秋季较高温条件下,采用3种混凝剂(Fe Cl3、PFC和PAFC)考察其对复合锰氧化膜中试滤柱去除地表水中氨氮和锰的影响.结果表明,Fe Cl3易水解从而降低水体pH且残留大量铁于水体中均不利于氨氮和锰的去除,改变混凝剂Fe Cl3为PFC,可有效恢复滤柱去除氨氮和锰的能力.经PAFC处理后水体中氨氮和锰在滤柱运行期间去除效果稳定且良好.分析滤料结构特性发现,不同混凝剂对滤料的形貌会产生不同的影响.在以Fe Cl3作为混凝剂时,滤料比表面积上升相对缓慢,不利于氨氮和锰的去除.FTIR图谱结果表明,不同混凝剂运行条件下对滤料Fe—OH键的存在有不同影响.本研究为地表水中氨氮和锰去除过程中水质因素的影响研究提供了一定的理论基础.     

催化氧化除氨氮/锰滤料活性恢复方式优化研究

以催化氧化除氨氮/锰失活滤料为研究对象,考察了3种不同恢复方式(自然恢复,投加碱度,再次挂膜)对滤料催化氧化氨氮、锰效能的影响.结果表明,自然恢复(1#)滤柱,投加碱度(2#)滤柱,再次挂膜(3#)滤柱分别于4,2,3d后氨氮去除率达到90%以上;逐渐提高氨氮浓度,3#再次挂膜滤柱出水氨氮浓度波动最大,1#自然恢复滤柱恢复期间出水亚硝氮积累时间最长且峰值最高.3根滤柱催化氧化去除锰活性恢复速度均较快.1#自然恢复滤柱和2#碱度恢复滤柱均能在2d内将锰完全去除.3#挂膜滤柱是在停止投加高锰酸钾后5d内实现将进水锰完全去除.氨氮和锰的相互影响实验结果表明,3根滤柱中投加碱度(2#)滤柱表现最优.尽管氨氮抑制锰的去除,但是投加碱度滤柱随着进水氨氮浓度的升高出水锰浓度始终低于0.1mg/L;锰对氨氮的去除影响不显著.XRD分析结果表明,受其表面负载新生成氧化膜的影响,高锰酸钾重新挂膜滤柱的滤料样品的结晶度较差.综合考虑氨氮和锰的活性恢复效率以及挂膜过程中药品的投加,提出采用自然恢复方式最适.     

不同挂膜方式成熟滤料去除地下水中As(Ⅲ)研究

通过动力学和动态柱实验对比研究了不同挂膜方式成熟滤料去除地下水中As（Ⅲ）效能.并采用SEM-EDS?XRD及FTIR等表征手段对滤料形态和结构进行了分析.结果表明,两种滤料的形貌具有较大差异.采用化学挂膜的滤料去除As（Ⅲ）性能更优.二级动力学模型能较好地模拟两种滤料除As（Ⅲ）动力学过程,自然挂膜滤料和化学挂膜滤料拟合速率常数分别为8.568×10^-6和14.248×10^-6mg/（g·min）.Yan模型对动态柱实验穿透曲线的拟合系数R²>0.999.通过脱附再生实验,发现0.5mol/L的NaHCO₃作为脱附剂可使滤料有效再生.对比过滤前后滤料的XRD分析结果,滤料结构变化不大,除砷能力稳定.滤料表面铁锰氧化物含量直接影响滤料除As（Ⅲ）性能.两种滤料在除砷过程中均消耗了羟基.本研究为不同方法去除地下水中As（Ⅲ）提供了理论支撑,具有一定工程指导意义.     

催化氧化除氨氮/锰技术在滤池改造中的应用研究

西安市某地下水源水厂石英砂滤池中滤料表面形成的氧化膜催化活性很低,基本不具备去除铁、锰、氨氮的能力,出水安全隐患较高,因此在中试滤柱系统中评价了石英砂滤料除铁（Fe²⁺）、锰（Mn²⁺）、氨氮（NH₄⁺-N）效能,并进行活性滤料的性能优化.在此基础上,在水厂原有石英砂滤池中进行活性滤料的原位制备.结果表明,水厂石英砂滤料基本不具备去除Fe²⁺、Mn²⁺、NH₄⁺-N能力.在中试滤柱系统中,经过3d挂膜,低浓度Fe²⁺、Mn²⁺、NH₄⁺-N的去除率均可达93%以上.在滤池中进行原位改造后,进水NH₄⁺-N浓度为（0.3±0.05） mg/L时,去除率由28%提高到90%,进水Mn²⁺浓度为（0.3±0.05） mg/L时,去除率由50%提高到80%.进一步分析滤料表征发现,改造后滤料形貌和结构均发生了改变.XRD分析结果表明,改造后滤料产生了新峰,证明了滤料具备了活性.改造后可满足案例水厂净水安全的需要,具有较高的实用价值.     

铁锰原位氧化产物吸附微量磷的实验

采用小试生物滤池,分别考察了铁和锰离子原位过滤氧化产物吸附去除水中微量磷酸根的特性,并结合SEM/EDS/BET/Zeta电位等分析手段解析了二者对磷酸根的吸附机制.结果表明,铁或锰离子在滤层内氧化的同时,其氧化产物均对磷酸根具有吸附作用;进水铁或锰的去除量与磷酸根的吸附量呈正相关线性关系,其吸附关系分别为106.28μg·mg-1和77.98μg·mg-1.SEM/EDS/BET的分析结果表明,富铁氧化物和富锰氧化物的比表面积分别为96 m2·g-1和67 m2·g-1,前者主要以小颗粒形态在滤层空隙间积累,而后者则以层状或片状形式披覆于滤料表面;反冲洗过程不影响锰氧化过程对磷酸根的吸附,而对铁氧化除磷过程具有促进作用.Zeta等电点和阴离子竞争吸附结果表明,富铁和富锰氧化物吸附磷酸根后,Zeta等电点p H均降低,二者对磷酸根的吸附过程以内层配合吸附作用为主,且氯离子、硫酸根、硝酸根离子对磷酸根的竞争吸附作用影响较弱,属于特异性吸附.     

四溴双酚A在煤胶体上的表面吸附和分配作用特征

以采自内蒙古霍林河煤矿的煤样为研究对象,通过模拟实验研究了四溴双酚A在煤胶体上的吸附行为,重点探讨了温度、p H值和离子强度对四溴双酚A在煤胶体上表面吸附和分配作用的影响.结果表明:煤胶体对四溴双酚A的吸附过程可由Freundlich表面吸附-分配复合模型很好地描述.随着温度的升高,四溴双酚A在煤胶体上吸附的分配作用和表面吸附同样都有所下降,但温度的升高对分配作用的影响程度较大.p H值主要影响四溴双酚A在煤胶体上的分配作用,在p H值为9时,四溴双酚A在煤胶体上的吸附以表面吸附为主,其对总吸附量的贡献率为97.5%;而在p H值为6~8时,则以分配作用为主,其对总吸附量的贡献率为64.0%~78.9%.Ca~(2+)浓度为0.001~0.1 mol·L~(-1)时,离子强度对于四溴双酚A在煤胶体上的表面吸附和分配作用均影响较小.     

铁锰复合氧化膜同步去除地表水中氨氮和锰

在中试条件下,以石英砂为载体,利用表面负载的铁锰复合氧化膜同步去除地表水中的氨氮和锰,考察了氨氮和锰的去除效能及动力学过程.结果表明,活性氧化膜对地表水中氨氮和锰的去除率可达到90%以上.滤料对氨氮和锰的去除符合拟一级动力学关系,但其动力学常数ka随进水污染物浓度范围的不同而变化.滤速在4~13m/h之间,出水氨氮和锰均可达标;滤速增大,单位体积滤料对氨氮和锰的去除能力提升,去除污染物所需滤层厚度与滤速符合幂函数关系.活性氧化膜对地表水低温条件具有一定的适应性,温度降低至10℃,进水氨氮浓度2.0mg/L,锰浓度0.9mg/L,出水达到我国饮用水水质标准限制.     

团絮状双效催化聚苯硫醚滤料反应参数及机理

以N-油酰基多肽表面活化聚苯硫醚滤料,以酸性KMnO₄在60~80℃操作温度下正向滴定,在氧化作用下实现活性组分氧化.实验研究了催化滤料的低温NO还原和Hg⁰氧化性能,并通过SEM、EDX及TPD表征手段对催化滤料物化结构进行分析.分别考察了（0.9）Mn-Ce-Fe-Co-O_x/PPS反应体系温度、气相O₂浓度、初始NO浓度、氨氮比（NSR）、入口SO₂浓度的最佳反应参数.结果表明,有效组分MnO_x、CeO_x、CoO_x、Fe₂O₃以团絮状均匀分散在纤维表面;在反应温度170℃、O₂≥5%、NO≤500×10^-6、氨氮比1.0、SO₂≤100 500×10^-6条件下,催化滤料对NO还原及Hg⁰氧化效率基本达到80%左右;程序升温脱附实验Hg-TPD结果表明SO₂的Hg⁰氧化促进作用机理于SO₃与Hg⁰非均相反应优于SO₂硫酸化反应,而NO-TPD结果则表明NO与O₂在PPS表面相互作用类型以吸附态亚硝酸盐为主,吸附态NO₂次之.     

MnOx同步除锰氨氮滤池的快速启动及污染物去除机制

通过将MnO_x负载于石英砂表面形成MnO_x滤料,并以此构筑滤池,开展动态试验,考察了滤池的启动周期、污染物去除效率及影响因素;同时通过表征MnO_x结构变化和灭活滤料表面微生物等方法探究了MnO_x滤池的污染物去除机制.结果表明:运行第1d滤池出水锰即可达标,运行至第9d,滤池启动完成,可实现对水中锰和氨氮的同步有效去除.滤池可稳定同步去除锰和氨氮的最大平均浓度分别为1.4和1.6mg/L,滤速为6m/h,且通过提升水中溶解氧含量可进一步增强滤池对锰和氨氮的去除效果.SEM、EDS和XRD分析结果表明,滤池运行过程中, MnO_x由相对密实的颗粒堆积形态逐步发展为多孔的一体化海绵状结构,其组成由ramsdellite和birnessite型MnO₂,逐步发展为buserite和birnessite型MnO₂,但元素组成相对较为稳定.结合滤料表面的微生物灭活实验,认为滤池稳定运行阶段,MnO_x对锰的去除主要为非生物作用,...     

风干工艺强化催化氧化除氨氮/锰活性滤料膜负载

为强化地下水处理中催化氧化除氨氮/锰活性滤料表面膜负载强度,系统研究了风干温度对锰氧化物滤料氧化膜的活性、负载强度及负载量的影响,将不同温度风干的生产性滤料填充滤柱,检测沿滤柱深度的氨氮、锰浓度随时间的变化,分析风干温度对生产滤料活性恢复期、除氨氮锰能力和膜负载强度的影响规律.结果表明,滤料经风干处理可以明显缩短滤柱除氨氮/锰的恢复期,其中除氨氮活性最先恢复的是自然风干和60℃风干滤柱;经过风干处理的滤料氨氮/锰的处理能力明显增强,出水氨氮浓度更稳定,不同风干温度之间的差异不明显;滤料风干能显著增强膜负载强度;滤料在运行过程中,表面膜负载量呈现先减少后增长的趋势,特别是未风干处理滤料的运行初期膜量下降明显.利用XRD测定滤料样品表面锰氧化物的晶体结构,比较不同温度风干的初始滤料发现它们具有相同复杂的晶型.     

锰氧化物对水体中铊的去除机制研究进展

铊（Tl）是国际公认的优先控制的13种金属污染物之一,近些年频繁发生的水体Tl污染事件推动了Tl去除研究工作的进展,作为去除Tl的高效吸附剂、催化剂和氧化剂,锰氧化物是研究热点之一.该研究综述了Tl在合成锰氧化物、矿物锰氧化物、改性锰氧化物及锰氧化物复合材料上的吸附特征,总结了pH、共存离子和有机质对锰氧化物去除Tl的影响,深入探讨了Tl在锰氧化物上的吸附机制.前人的研究成果表明:经过科学改性的锰氧化物及锰氧化物复合材料在吸附选择性、可重复利用及易分离方面表现出更好的Tl去除效果.pH主要通过静电作用和氧化还原作用影响锰氧化物对Tl的去除机制,是影响锰氧化物去除Tl效率的最关键因素;共存离子和有机质分别通过竞争吸附位点和络合作用的方式抑制锰氧化物对Tl的吸附;锰氧化物去除Tl的主要机制为络合作用、氧化沉淀和静电引力,矿物锰氧化物还可以依靠离子交换和同位素分馏作用去除Tl.锰氧化物对Tl去除机制的定性和定量研究,以及不同晶型结构锰氧化物及锰氧化物与微生物的结合对地下水中Tl的去除技术是未来的研究方向.      

生物法去除地下水中铁锰的影响因素

分析了生物法除地下水中铁锰的影响因素,曝气后使地下水中DO为7.0～7.5mg/L及pH为6.8～7.0时,生物滤层中的锰氧化菌能够保持较好活性及除锰能力,且工艺能够达到铁锰同除的要求.本研究提出的“成熟滤料移植”生物过滤方法,适合于对Mn²⁺吸附能力较强的优质锰砂滤层的接种,而对吸附能力较弱的石英砂滤层,只能采用菌量较大的实验室选择性培养基培养、驯化锰氧化菌的接种方式;锰砂和石英砂生物滤层的反冲洗强度分别控制在6～9L/(s·m²)、7～11L/(s·m²)的较低范围时,滤层的微生物相受扰动较小,反冲后铁锰去除能力能在5h内恢复.同时滤层采用1.0～1.2mm的均质滤料,在反冲洗强度较低的情况下过滤周期依然可延长至35～38h.     

A comparison study of the start-up of a MnOx filter for catalytic oxidative removal of ammonium from groundwater and surface water

As an efficient method for ammonium (NH4+) removal, contact catalytic oxidation technology has drawn much attention recently, due to its good low temperature resistance and short start-up period. Two identical filters were employed to compare the process for ammonium removal during the start-up period for ammonium removal in groundwater (Filter-N) and surface water (Filter-S) treatment. Two types of source water (groundwater and surface water) were used as the feed waters for the filtration trials. Although the same initiating method was used, Filter-N exhibited much better ammonium removal performance than Filter-S. The differences in catalytic activity among these two filters were probed using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and compositional analysis. XRD results indicated that different manganese oxide species were formed in Filter-N and Filter-S. Furthermore, the Mn3p XPS spectra taken on the surface of the filter films revealed that the average manganese valence of the inactive manganese oxide film collected from Filter-S (FS-MnOx) was higher than in the film collected from Filter-N (FN-MnOx). Mn(IV) was identified as the predominant oxidation state in FS-MnOx and Mn(III) was identified as the predominant oxidation state in FN-MnOx. The results of compositional analyses suggested that polyaluminum ferric chloride (PAFC) used during the surface water treatment was an important factor in the mineralogy and reactivity of MnOx. This study provides the theoretical basis for promoting the wide application of the technology and has great practical significance.     

Review on heterogeneous oxidation and adsorption for arsenic removal from drinking water

The long term exposure of arsenic via drinking water has resulted in wide occurrence of arsenisim globally, and the oxidation of the non-ionic arsenite (As(III)) to negatively-charged arsenate (As(V)) is of crucial importance for the promising removal of arsenic. The chemical oxidants of ozone, chlorine, chlorine dioxide, and potassium permanganate may achieve this goal; however, their application in developing countries is sometimes restricted by the complicate operation and high cost. This review paper focuses on the heterogeneous oxidation of As(III) by solid oxidants such as manganese oxide, and the adsorption of As(V) accordingly. Manganese oxide may be prepared by both chemical and biological methods to achieve good oxidation performance towards As(III). Additionally, manganese oxide may be combined with other metal oxides, e.g., iron oxide, to improve the adsorption capability towards As(V). Furthermore, manganese oxide may be coated onto porous materials of metal organic frameworks to develop novel adsorbents for arsenic removal. To achieve the application in engineering works, the adsorbents granulation may be achieved by drying and calcination, agglomeration, and the active components may also be in situ coated onto the porous materials to maintain the oxidation and adsorption activities as much as possible. The novel adsorbents with heterogeneous oxidation and adsorption capability may be carefully designed for the removal of arsenic in household purifiers, community-level decentralized small systems, and the large-scale drinking water treatment plants (DWTPs). This review provides insight into the fundamental studies on novel adsorbents, the development of innovative technologies, and the demonstration engineering works involved in the heterogeneous oxidation and adsorption, and may be practically valuable for the arsenic pollution control globally.     

高锰酸钾与接触氧化协同除锰及硬度对除锰效果的影响

针对日益严重的地表水锰污染，本实验采用高锰酸钾与接触氧化的方法协同除锰；通过调配进水中Ca²⁺、Mg²⁺含量模拟我国不同地区硬度差异显著的地表水，探究水体硬度对锰的去除效果的影响.结果表明：Mn²⁺被高锰酸钾氧化并形成"锰质活性滤膜"，可在停药后实现稳定有效除锰.成熟滤池的除锰效果会显著受到硬度的影响，进水硬度在40、200、400 mg·L^-1及700 mg·L^-1（CaCO₃计）时，接触氧化滤池分别在48、56、64 d及72 d实现稳定除锰，而4根滤柱对Mn²⁺去除的极限浓度分别为1.8、1.7、1.2 mg·L^-1及0.7 mg·L^-1.