| 题名 | 砷在纳米TiO2上的吸附机理及吸附态砷的环境归趋 |
| 作者 | 罗婷 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2013-05 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 景传勇 |
| 关键词 | 纳米TiO2 吸附态砷 吸附机理 氧化还原 硫酸盐还原菌 nano TiO2 adsorbed arsenic adsorption mechanism redox transformation sulfate reducing bacteria |
| 其他题名 | Mechanism of Arsenic Adsorption on Nano TiO2 and the Fate of Adsorbed Arsenic |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 中文摘要 | 砷在自然界广泛存在，是一种毒性极强的类金属元素，长期砷暴露会导致慢 性砷中毒和各种癌症等疾病的发生。因此，砷的环境污染问题是当前国际环境领 域研究的热点，由此引起的健康问题也引起了人们的广泛关注。 目前，工业发展迅速，在工业生产中排放出大量污酸高砷废水。治理工业废 水中的高浓度砷，以及使其不会造成二次环境污染是一个重大挑战。同时，在自 然环境中，环境微生物会引起砷的氧化还原转化，从而影响其在水体中的浓度。 因此，治理砷之后的含砷废渣在环境中的安全性也是非常重要的问题。本论文研 究了应用纳米TiO2 去除铜冶炼废水中的高浓度砷，同时探讨了以硫酸盐还原菌 为代表的环境微生物参与下，纳米TiO2 上吸附态砷的环境归趋。 首先，提出了一种除砷新工艺，可再生循环利用吸附剂，同时回收砷，整个 过程实现“零残渣”，不会对环境造成二次污染。本论文首次应用纳米TiO2 去除 铜冶炼废水中的高浓度砷。确定了As(III)在TiO2 上的吸附动力学方程和参数， 符合拟二级动力学。同时利用电荷分布多位络合模型（CD-MUSIC）拟合了废水中As(III)在纳米TiO2 上的吸附行为。通过纳米TiO2 对废水的连续三次吸附，将酸性废水（pH 1.4）中浓度为3890 ± 142 mg/L 的As(III)降低到59 ± 79 μg/L，达到国家污水排放标准。同时，将废水中其它重金属离子，包括镉369 mg/L，铜24 mg/L，铅5 mg/L，都降低到少于0.02 mg/L。TiO2 在经过NaOH 洗脱再生后，可以重复利用。最后将从TiO2 上洗脱下来的砷加热结晶，回收为亚砷酸钠固体，可做为工业原料加以利用。 其次，通过批处理试验，考察了两株硫酸盐还原菌（SRB）–Desulfovibriovulgaris (ATCC 7757)和Desulfovibrio vulgaris DP4，在还原环境中对纳米TiO2 上吸附态As(V)脱附还原的影响。试验结果表明，TiO2 表面吸附态As(V)发生了脱附行为，并且部分还原为以溶解态形式存在的As(III)。这是由于SRB 利用SO42-作为电子受体，反应生成S2-，S2-将As(V)还原为As(III)。SRB 的加入促进了As(V)的脱附，比非生物对照高2~3 倍。扫描透射X 射线显微术（STXM）结果提供了直接的证据，表明在培养4 d 后，部分As(V)及As(III)分布在TiO2 表面。X 射线吸收近边结构（XANES）结果表明，在97 d 培养试验完成后，As(V)的三个吸附量（150 mg (As) / g (Ti)，300 mg/g，5700 mg/g）中，TiO2 上吸附的砷主要以As(V)的形式存在。在As(V)吸附量是5700 mg/g 时，发现生成了15~28%的雌黄（As2S3）沉淀，而另两个As(V)吸附量（150 mg/g 和300 mg/g）则没有检测到砷–硫沉淀。 最后，通过动态试验，探讨了SRB（Desulfovibrio vulgaris DP4）参与下，在实际土壤环境中，TiO2 上吸附态As(V)在土壤中的还原转化及迁移。试验结果表明，在51 d 的动态土柱试验中，SRB 土柱出水中As(III)浓度占总解态砷的21± 7%，而非生物对照中未检测到As(III)，同时溶解态砷浓度低于非生物对照。由此说明SRB 抑制了溶解态砷的释放。通过将溶解态砷与总砷（包括溶解态砷及颗粒态砷）做比较，发现SRB 土柱中的总砷要高于溶解态砷，而非生物对照中总砷与溶解态砷相当，说明SRB 促进了颗粒态砷的迁移。通过微束X 射线荧光分析（μ-XRF）检测SRB 土柱中的土壤，结果表明土壤中的砷和钛有显著相关性，说明携带了砷的TiO2 主要保留在土柱水流入口处，TiO2 没有明显迁移。热力学pE-pH 图及XANES 分析结果表明，SRB 土柱在反应过程中生成了磁铁矿（Fe3O4）。磁铁矿对砷的再吸附造成了溶解态砷的浓度要低于非生物对照，同时，吸附在磁铁矿上的砷随磁铁矿在土壤中发生了迁移。综上，SRB 的存在，阻碍了溶解态砷的释放，而促进了磁铁矿上吸附态砷的迁移，为我们深入认识纳米材料上吸附态砷的环境归趋提供了新观点。 |
| 公开日期 | 2014-07-09 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/7571]  |
| 专题 | 生态环境研究中心_环境化学与生态毒理学国家重点实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 罗婷. 砷在纳米TiO2上的吸附机理及吸附态砷的环境归趋[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2013. |
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