关键词:
腐殖酸
高铁酸钾
三维荧光
三卤甲烷
氧化作用
絮凝作用
摘要:
腐殖酸是自然水域中最普遍的天然有机化合物(NOM)来源,其表面所含大量的活性官能团,能够直接影响水中金属离子的存在形式和迁移性质,进而增加水处理工艺的难度,并且在消毒过程中,极易产生致癌性的消毒副产物三卤甲烷(THMs),对饮用水安全产生显著的潜在威胁。高铁酸钾是一种环境友好型水处理剂,兼具氧化和絮凝功效。关于高铁酸钾去除腐殖酸的研究并不少见,但依旧缺乏对两者反应前后的机理变化研究。因此,本研究通过使用实验室电解法自制的高铁酸钾,在模拟水和加标实际水两种水环境下展开对腐殖酸的去除,以探究高铁酸钾与腐殖酸反应的处理效果和微观机理。采用多种三维荧光光谱分析方法准确定量高铁酸钾去除腐殖酸的最优数量关系,并借助红外光谱分析从官能团的层面研究其微观机理变化;考察高铁酸钾预氧化处理对三卤甲烷生成势(THMFP)的抑制效果;初步探索高铁酸钾处理腐殖酸过程中,其氧化特性和絮凝特性在去除效果的数量关系及其反应机理。相关研究结果如下:(1)采用峰值法和区域积分法(FRI)对腐殖酸模拟水处理前后的三维荧光光谱进行解谱分析,发现高铁酸钾投加量的增大和反应时间的延长,都有利于腐殖酸的去除,并且腐殖酸的去除率受p H的影响较大,当p H=7,高铁酸钾投加量为60 mg/L时,25 min内腐殖酸荧光区域积分标准体积去除率为53.00%,最大荧光峰值(Ex/Em=265/435 nm)去除率为52.41%,处理效果最佳;通过控制时间变量和投加淬灭剂的方式初步探究了处理过程中,高铁酸钾氧化特性和絮凝特性在去除效果上的贡献比例为7:3。(2)应用平行因子法(PARAFAC)识别出腐殖酸加标实际水环境中的3个荧光组分C1、C2、C3分别为腐殖酸、富里酸、蛋白质,并且发现相较于其他溶解性有机物(DOM),高铁酸钾对腐殖酸具备明显的选择性去除。利用峰值法和FRI进行分析验证,也得到一致的结论。(3)关于处理三维荧光光谱的3种分析方法中,峰值法是最简捷的,但存在对荧光峰错识、漏识的弊端;FRI无需识别荧光峰即可对某特定区域定量分析,但是面对污染严重、有机质类型复杂的水体,仍存在着定性及定量不准确的问题;PARAFAC不适用于荧光峰较少(<3)或单一物质的模拟水体,专用于处理实际水体中荧光团错乱交叠的情况。PARAFAC能够对数据进行降维处理并建立子集,利用折半检验进行校核,准确获得荧光峰的个数、性质以及数量关系。(4)在高铁酸钾对腐殖酸矿化效能的影响因素研究中,溶液p H=7.0和高铁酸钾投加量为50 mg/L时,腐殖酸的矿化率达到最优值(30.29%)。虽然矿化能力数值较低,但相较于其他处理方法,高铁酸钾对腐殖酸的矿化效率仍是最高的。(5)在高铁酸钾抑制三卤甲烷消毒副产物生成势研究中,在Cl/C=10、消毒时间为72 h的实验条件下,THMs产量达到最大。高铁酸钾预氧化是一种优秀的THMFP抑制手段,当高铁酸钾投加量为60 mg/L时,能够减少72.90%的THMs产生;THMFP的抑制效果与腐殖酸矿化率在趋势上保持一致性;有机质的卤代活性越大、亲水性物质含量越高、相对分子质量越小、不饱和双键和芳香结构的分子越多,THMs的产量就越大。(6)经过高铁酸钾处理后,腐殖酸的含氧官能团特征峰带下降最明显,主要表现为醌类、醛类、酮类、羧基、醇羟基、酚羟基以及芳香酯、醚类官能团参与了反应;高铁酸钾凭借其强氧化性就能够将芳香环内部分子链氧化断裂,因此使得大量的甲基、亚甲基官能团显露出来。(7)通过实验手段区分高铁酸钾的氧化特性和絮凝特性,对腐殖酸的去除主要依靠于Fe(VI)强大的氧化能力,其水解产物Fe(III)的絮凝能力作为一种协同去除的辅助机制;高铁酸钾的氧化特性和絮凝特性之间存在明显的拮抗效果,主要源于高铁酸钾的还原产物Fe(Ⅲ)对Fe(Ⅵ)具备明显的催化分解作用。