滤料表面活性滤膜对水中锰的吸附特性与机理研究

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1、第39卷第3期水处理技术Vol.39No.32013年3月TECHNOLOGYOFWATERTREATMENTMar.,201339滤料表面活性滤膜对水中锰的吸附特性与机理研究黄廷林，郑娜，曹昕（西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安710055）摘要：以中试滤柱中石英砂表面充分覆盖的复合氧化物活性滤膜为对象，通过研究活性滤膜对水中Mn2+的吸附特性，探讨其吸附水中Mn2+的机理；结合光电子显微镜对滤膜比表面积及孔道测定结果，对滤膜形貌与物理结构进行了表征；通过X射线光电子能谱（XPS）对Mn2+在滤膜表面的吸附活性

2、位进行了初步研究。结果表明，Mn2+吸附过程符合Lagergren拟1级动力学方程（R2>0.95）；随着水中Mn2+初始质量浓度ρ0的增加，平衡吸附量Se逐渐增大；活性滤膜对Mn2+吸附等温曲线符合Langmuir方程（R2=0.9434），满足单分子层化学吸附的模型；滤膜成熟后，滤料比表面积、总孔容和孔径显著增加，吸附Mn2+的能力明显加强；当水中Mn2+的质量浓度为0～5mg/L时，可用S-1)=e/(mg·g[0.02781ρ/(mg·L-1)]+0.02712测算活性滤膜对Mn2+的吸附量。通过XPS测定活性滤膜

3、吸附Mn2+前后表面元素原子0结合能的变化，确定了活性滤膜表面Mn2+吸附活性位为复合氧化物中Fe－O和Mn－O的O原子。关键词：活性滤膜；Mn2+；吸附；X射线光电子能谱中图分类号：TU991；TQ424文献标识码：A文章编号：1000-3770(2013)03-0039-005研究表明，长期锰摄入过量，可能导致消化系统单因素控制条件下，对滤膜表面Mn2+的吸附动力学与骨骼疾病。锰中毒可导致神经系统缺陷，甚至对神和等温吸附特性进行了研究。经系统造成永久性损害[1]。我国61%的中小型城市X射线光电子能谱（XPS）已广泛应

4、用于金属离尤其是北方地区中小型城市，多以地下水为饮用水子吸附机理研究领域，1996年MichaelFHochella等水源[2]。对我国1817个地下水水源水质监测结果表利用XPS研究了方解石水界面吸附Co(II)的机理，明，锰指标超标率高达12.56%，且有进一步加剧的趋1998年HeshamAbdel-Samad等利用XPS研究了针铁矿吸附铅的机理[5-6]。本研究通过XPS对Mn2+在势。因此，早在1958年国内有水厂就已经采用曝气塔曝气、反应沉淀、石英砂过滤3级除锰处理工艺，滤滤膜表面的吸附活性位进行了初步探讨，以

5、期为滤膜形成与Mn2+催化氧化机理的研究提供理论依据。池在长期运行后，会在石英砂滤料表面自然形成一层滤膜。李圭白等人指出，该滤膜为锰质滤膜，具有1材料与方法接触催化作用[3]。近年来，地下水除铁、除锰方面的1.1试验材料研究不断深入，有学者利用人工强化锰质膜形成的试验中采用的滤料是取自西安市西北郊地下水方式对滤料进行改性，并对滤料表面锰催化氧化的水源地现场中试滤柱的滤料，该滤料表面充分覆盖反应机理进行了分析探讨[4]。复合氧化物活性滤膜，粒径为1～2mm。试剂为无本研究中所涉及的活性滤膜是在中试规模滤柱水焦磷酸钾、结晶乙酸

6、钠、高碘酸钾、MnCl2·4H2O，长期运行的条件下自然形成。在接触氧化除锰的过均为分析纯。程中，吸附和催化氧化为2个重要过程，其中滤膜的1.2试验方法吸附性能及吸附位的确定为研究重点之一。因此，对1.2.1吸附动力学滤膜表面进行了一系列物理、化学性质的表征，并在采用表面充分覆盖复合氧化物活性滤膜的石英收稿日期：2012-09-24基金项目：国家自然科学基金项目（51278409）作者简介：黄廷林（1962－），男，教授，博士生导师，研究方向为水处理理论与技术和水质微污染控制与水资源保护联系电话：029-82201514；

7、E-mail：huangtinglin@xauat.edu.cn40水处理技术第39卷第3期砂滤料（以下简称成熟滤料）为吸附剂，以10g/L的投加量置于350mL排气瓶中。将去离子水经高温高压煮沸灭菌，经曝氮气去除溶解氧（DO）的质量浓度至约0.05mg/L，用去除DO后的去离子水配制质量浓度分别为1、2、3、4、5mg/L的Mn2+溶液，注入排气瓶密封。于20℃、80r/min下，水浴恒温振荡，各Mn2+质量浓度制备5个平行样。在振荡开始后于0、30、90、210、450、1710min时分别取样25mL，测定Mn2+含

8、量，并采用式（1）计算活性滤膜的锰吸附量：图2（a）天然石英砂图1表面A点St=(ρ0-ρt)V0/m。（1）其中，S为t时刻滤料对Mn2+的吸附量；ρ和ρt0t分别为水中Mn2+初始和t时刻的质量浓度；V为锰0溶液初始体积；m为滤料质量。1.2.2等温吸附水中Mn2+的含量、吸附剂的投加量及试验方法同