粉末活性炭吸附處理廢水中雙酚A的 研究開(kāi)題報(bào)告

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1、 中國(guó)計(jì)量學(xué)院現(xiàn)代科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告 學(xué)生姓名： 蘇瀚卿 學(xué) 號(hào)： 0630223131 專(zhuān) 業(yè)： 安全工程 班 級(jí)： 安全061班 設(shè)計(jì)（論文）題目： 粉末活性炭吸附處理廢水中雙酚A的研究 指導(dǎo)教師： 石明娟 系： 計(jì)測(cè)工程系

2、 2010年3月23日 1課題背景和意義 1.1我國(guó)水資源現(xiàn)狀 水污染來(lái)源包括天然的污染源及人為的污染源，人為的污染源包括生活污廢水和工業(yè)廢水的排放、農(nóng)藥、肥料等物質(zhì)，這些物質(zhì)經(jīng)由地表水或地下水的滲透與流動(dòng)而進(jìn)入水體，使得水體環(huán)境受到污染，森林采伐、耕作、土木工程等人為因素也能造成水體中懸浮物與溶解物的增加。 水資源的污染給人們的生活帶來(lái)一系列問(wèn)題。有機(jī)物質(zhì)水中缺氧，危及魚(yú)類(lèi)的生存，致使需要氧氣的微生物死亡。而正是這些需氧微生物能夠分解有機(jī)質(zhì)，維持著河流，小溪的自我凈化能力。它們死亡的后果是：河流和溪流發(fā)黑，變臭，毒素積累，傷害人畜。污染源中一些化學(xué)藥品特別

3、是重金屬物質(zhì)（如鎘、砷、鉛、鉻等）會(huì)通過(guò)食物鏈積累在水生生物體內(nèi)，致使人食用后慢性積累中毒。被化學(xué)藥品污染的水難以在短時(shí)間內(nèi)得到凈化，人類(lèi)的飲水安全和健康受到威脅。 根據(jù)2009年中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部公布的《2007年全國(guó)水環(huán)境質(zhì)量狀況》的數(shù)字表明，全國(guó)地表水污染依然嚴(yán)重。長(zhǎng)江、黃河、珠江、松花江、淮河、海河和遼河等七大水系總體水質(zhì)為中度污染[1]。 1.2 水中含雙酚A污染對(duì)環(huán)境的影響。 雙酚A（Bisphenol A，BPA），學(xué)名2,2-雙（4-羥基苯基）丙烷，分子式為C15H16O2，白色至淡褐色片狀或粉末狀固體，微有酚的氣味。溶于堿溶液、乙醇、丙酮、乙酸、乙醚和苯，微溶于四

4、氯化碳，幾乎不溶于水。是聚碳酸酯、環(huán)氧樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂的原材料，也是外科修補(bǔ)術(shù)中抗氧化和穩(wěn)定化處理的重要材料，在食品包裝和容器內(nèi)壁涂裝中廣泛使用。BPA在生產(chǎn)和使用過(guò)程中通過(guò)大氣或污水進(jìn)入水環(huán)境，然后在微生物的作用下逐漸分解，其半衰期大約為2.5~4.0d。BPA屬于內(nèi)分泌干擾物。近年來(lái)研究表明，BPA具有雌激素活性，微量甚至痕量的濃度也可能對(duì)動(dòng)物生理狀況、生殖系統(tǒng)以及胎兒發(fā)育造成不良影響。在某些污染環(huán)境下，BPA能干擾多種生物的內(nèi)分泌功能，影響野生生物安全，甚至威脅人類(lèi)生命健康，因此BPA已經(jīng)被歐盟一些國(guó)家列入優(yōu)先污染物的黑名單[2]，BPA的生產(chǎn)和使用大量增加，全球BPA使用量已超過(guò)200萬(wàn)

5、t，其最終歸宿是由各種途徑進(jìn)入水環(huán)境，并通過(guò)食物鏈作用在水生生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行傳遞，對(duì)水生生物產(chǎn)生內(nèi)分泌干擾作用[2]。 STAPLES等[2]研究了BPA 對(duì)淡水和海水中的微生物和魚(yú)類(lèi)的毒理學(xué)影響，認(rèn)為BPA 對(duì)魚(yú)類(lèi)的毒性為輕微至中等程度，對(duì)生物的影響程度隨營(yíng)養(yǎng)級(jí)別提高而增大，不同生物對(duì)BPA 的敏感度有差別，慢性毒性試驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間為96 h 時(shí)，BPA 的無(wú)影響作用質(zhì)量濃度(NOEC)為1170~3146μg/ L，急性毒性試驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間為18 h 時(shí)，BPA的半效應(yīng)質(zhì)量濃度( EC50 )為1000~320000μg/ L 。 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 含酚廢水的處理方法一般分為物化法、化學(xué)

6、法和生物法3大類(lèi)[3]。物化法包括溶劑萃取法、吸附法、液膜法等。從環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益兩個(gè)角度考慮，水處理技術(shù)應(yīng)盡量首先考慮兼顧資源回收利用與廢水處理達(dá)標(biāo)排放的技術(shù)。吸附法是一種操作簡(jiǎn)便、可實(shí)現(xiàn)廢水中有用資源回收利用，對(duì)高、低濃度廢水均適用的物理化學(xué)方法[3]。 1.3.1 物理法 BPA是一種有機(jī)物，通過(guò)吸附的途徑而脫除是物理法中應(yīng)用最廣泛的方法之一，各種新型的吸附劑正在被開(kāi)發(fā)利用。國(guó)外，有人用β-環(huán)糊精殼聚糖聚合物來(lái)吸附脫除水中的BPA，取得了一定的效果[4]；Kimoka 等[5]還在pH值為7.0，BPA 初始濃度為0.2 mmol/L（45.6mg/L） 的溶液中加入5 mg/mL 的

7、正交環(huán)狀糊精聚合物（PolyCD）吸附劑，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行2h后，發(fā)現(xiàn)BPA已被脫除97％。國(guó)內(nèi)，馮建敏等[6]在用吸附性催化劑活性炭處理BPA的基礎(chǔ)上，采用微波輻射熱技術(shù)，建立了脫除廢水中BPA的處理工藝。 1.3.2 化學(xué)法 化學(xué)方法中，普遍采用氧化的方法即利用氧化劑，在不同條件下，使BPA氧化降解。光催化氧化法是使用較多的氧化法之一。其他還有光催化氧化和電化氧化的技術(shù)聯(lián)用去除BPA，臭氧氧化工藝等方法[7]。 1.3.4 生物法 環(huán)境中的BPA 污染一般具有范圍廣、濃度低且污染源會(huì)長(zhǎng)期存在等特點(diǎn)，單純依靠物理、化學(xué)法往往很難奏效。而生物法具有成本低、作用范圍廣及持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。利用生

8、物法降解BPA，就是利用從自然界篩選得到的或人工改造得到的可代謝BPA的微生物對(duì)其進(jìn)行降解。目前，生物修復(fù)作為徹底清除污染的手段正在環(huán)境治理中發(fā)揮巨大作用，已有多種環(huán)境污染物通過(guò)生物降解被成功治理。但是，由于對(duì)BPA 降解菌的降解基因還未充分了解，代謝途徑尚不明確，許多問(wèn)題仍處于摸索與探討的階段，導(dǎo)致對(duì)降解菌的利用相當(dāng)困難[8]。 1.4 活性炭簡(jiǎn)介 活性炭是一種具有發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)的吸附劑，被廣泛應(yīng)用于氣體液體的分離精制、資源回收等各個(gè)方面，特別是在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展空間。粒狀的活性炭因?yàn)槠淞己玫臋C(jī)械性能而可以再生、再利用而得到了發(fā)展。再生已用的活性炭技術(shù)的發(fā)展使將活性炭做為控制污染

9、的方法成為了一種可能。各種再生技術(shù)如熱處理法、化學(xué)法、溶劑法、真空法、生物法和濕氧化法已被應(yīng)用[9]。 活性炭依其原料不同、生產(chǎn)工藝不同，而有不同的吸附性能。使用簡(jiǎn)易的活性炭選型方法，可以減少應(yīng)用測(cè)試時(shí)的備選炭型，從而大大降低活性炭水處理技術(shù)的運(yùn)行成本。以碘值、甲基藍(lán)值、苯酚值和丹寧酸值4種吸附容量性能指標(biāo)為依據(jù)的活性炭選型技術(shù)，可以有效地預(yù)測(cè)活性炭對(duì)于水中各種大小不同污染物的去除能力[10]。 隨著活性炭粒徑的減小(目數(shù)的增大)，活性炭的BET比表面積和孔容積確實(shí)發(fā)生了一定程度的增加[7]。這可以由普通商品活性炭的不均質(zhì)性進(jìn)行解釋?zhuān)夯钚蕴恐懈缓⒖撞糠值臋C(jī)械強(qiáng)度比其他部分低，更容易形成細(xì)

10、小的顆粒，所以越小粒徑的活性炭粉末將帶有越多的微孔，從而體現(xiàn)出更大的比表面積和孔容積。但是這一趨勢(shì)并不是絕對(duì)的，還會(huì)受到其他因素的影響[11]。 由于活性炭比表面積的表面活性，經(jīng)常用于從水相去污染物質(zhì)，應(yīng)用與多種技術(shù)和分析中。對(duì)活性炭的改性僅僅輕微地改變了其表面積（BET），但很大程度影響了其表面化學(xué)結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)種類(lèi)繁多，主要取決于所采用的改性程序。通常隨著中間體pH值的升高，吸附增多，吸附依賴(lài)于所吸附的污染物種類(lèi)、吸附劑、吸附條件。吸附劑表面和污染物質(zhì)之間可以發(fā)生各種作用，比如形成表面復(fù)合物；與強(qiáng)酸表面基團(tuán)進(jìn)行離子交換；氧化還原等[12]。 活性炭的氧化使質(zhì)量明顯增加，大小取決于處理樣

11、品的方法，而且，活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)也發(fā)生了改變。熱處理過(guò)程中樣品的質(zhì)量損失高于樣品處理過(guò)程中質(zhì)量的增加。在30~180℃質(zhì)量的損失高于在180~500℃和500~800℃。在各溫度范圍內(nèi)質(zhì)量的損失隨著硝酸溶液濃度的增加，脫氣和接觸溫度和時(shí)間的增加而增加。經(jīng)過(guò)硝酸處理的活性炭的質(zhì)量和表面積發(fā)生了改變，這主要取決于酸的濃度、脫氣條件和接觸條件。樣品的熱行為也受樣品制備方法的影響[12]。 1.5 活性炭對(duì)水中微量有機(jī)物的吸附機(jī)理 活性炭對(duì)水中微量有機(jī)污染物的吸附能力大小與活性炭本身的微孔結(jié)構(gòu)和有機(jī)物的性質(zhì)有關(guān)，二者之間的相互作用包括物理相互作用和化學(xué)相互作用。非極性分子中的電子和原子核都處在

12、不斷的運(yùn)動(dòng)之中。經(jīng)常會(huì)發(fā)生正負(fù)電荷重心之間的瞬時(shí)相對(duì)位移，從而產(chǎn)生瞬間偶極。由于同極相斥，異極相吸，每個(gè)瞬間偶極必然處于異極相鄰狀態(tài)而相互吸引，這種由瞬間偶極所產(chǎn)生的作用力叫做色散力。相對(duì)分子質(zhì)量越大或分子的體積越大，色散力就越大。色散力不但存在于非極性分子間，同時(shí)也存在于極性與非極性分子之間，以及極性分子之間?；钚蕴繉?duì)有機(jī)物的吸附主要由物理和化學(xué)兩種相互作用所決定。 1.5.1 物理相互作用 物理相互作用包括排斥（Size Exclusion）和微孔效應(yīng)。尺寸排斥決定了吸附質(zhì)分子所能進(jìn)入的活性炭微孔，活性炭微孔以及目標(biāo)分子（吸附質(zhì)分子）的相對(duì)“尺寸”分布，決定了活性炭的微孔效應(yīng)，其效應(yīng)是

13、活性炭對(duì)吸附質(zhì)分子的有效吸附面積的函數(shù)。尺寸排斥降低了活性炭對(duì)大分子有機(jī)物的吸附，因此針對(duì)性地選擇活性炭孔徑分布有利于增加活性炭吸附容量。 1.5.2 化學(xué)相互作用 化學(xué)相互作用包括活性炭的表面化學(xué)特征，吸附質(zhì)及溶劑的化學(xué)性質(zhì)?；瘜W(xué)作用對(duì)大分子均很重要。一般情況下，吸附質(zhì)在水中的溶解度越小，活性炭對(duì)其吸附容量越大。除非特性的色散力外，活性炭表面（包括基平面電子、弧對(duì)電子和表面官能團(tuán)）與吸附質(zhì)之間存在著特殊的互相作用，這些表面基團(tuán)可能影響活性炭的表面極性與溶劑間的作用，可離子化的吸附質(zhì)還受到作為溶劑的水的性質(zhì)影響，如靜電作用，pH 值和離子強(qiáng)度的影響[14]。 1.6 研究的目的和意義

14、BPA 作為一種重要的化工原料為人類(lèi)生活帶來(lái)了很多方便，其使用量在世界范圍內(nèi)未來(lái)幾年仍處于上升趨勢(shì)，而它的負(fù)面效應(yīng)就會(huì)不斷地表現(xiàn)出來(lái)。隨著科技的發(fā)展，有越來(lái)越多的新興方法和技術(shù)應(yīng)用于治理BPA的污染，然而這些方法和技術(shù)均存在著不同的局限性，如使用吸附法，經(jīng)濟(jì)有效的吸附劑制備比較困難，還存在解析的問(wèn)題；采用氧化法，工藝的運(yùn)行處理費(fèi)用較高，在一定程度上限制了它們的推廣；利用微生物降解，是否會(huì)產(chǎn)生二次污染，微生物是否會(huì)釋放出對(duì)人類(lèi)有害的物質(zhì)，這都有待于進(jìn)一步研究[15-19]。 本文擬通過(guò)對(duì)各種參數(shù)下粉末活性炭吸附水樣中雙酚A效果的研究，找出最佳吸附條件，并試驗(yàn)在此最佳吸附條件下的去除率，這一研究

15、對(duì)于目前BPA水污染的治理具有積極意義。 2課題基本內(nèi)容和擬解決的主要問(wèn)題 2.1課題基本內(nèi)容 以粉末活性炭為吸附劑進(jìn)行吸附BPA的試驗(yàn)，及各種因素對(duì)其的影響： （1） 研究活性炭對(duì)水樣中BPA的吸附效果； （2） 研究活性炭各控制參數(shù)的變化（吸附時(shí)間、PH值、活性炭用量）對(duì)處理效果的影響； （3） 確定其吸附BPA的最佳參數(shù)。 2.2擬解決的主要問(wèn)題： （1） 粉末活性炭吸附BPA的吸附性能變化曲線； （2） 確定其吸附BPA的最佳參數(shù)。 3研究方法及措施 本試驗(yàn)采用粉末活性炭，研究在pH值不同的水樣中粉末活性炭對(duì)BPA的吸附效果。其主要考慮的因素還包括粉末活性炭用量、

16、pH值以及吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響。 3.1 材料與方法 3.1.1 試驗(yàn)材料 供試的吸附劑：粉末活性炭。 供試的化學(xué)試劑: 雙酚A、NaOH、Na2CO3、NaHCO3。 試驗(yàn)儀器：紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)。 3.1.2 試驗(yàn)方法 （1） 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制： （2） 分別配置1mg/L、2mg/L、4mg/L、6mg/L、8mg/L、10mg/L、15mg/L、20mg/L、50mg/L、100mg/L雙酚A溶液,用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)出它們的吸光度，制成這一濃度范圍的標(biāo)準(zhǔn)曲線。 （3） 粉末活性炭用量的影響： 配置50mg/L濃度的BPA溶液20ml加入0.001-1g之間不同

17、量的粉末活性炭振蕩2小時(shí)，轉(zhuǎn)速為300r/min，然后放入離心機(jī)中離心10min，轉(zhuǎn)速為3000r/min取上清液用濾紙過(guò)濾，測(cè)定BPA平衡濃度。以平衡濃度和粉末活性炭用量分別為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)作圖。 （4） BPA濃度的影響： 配置10mg/L、20mg/L、30mg/L、50mg/L、80mg/L、100mg/L的BPA溶液加入0.005g粉末活性炭振蕩2小時(shí)，轉(zhuǎn)速為300r/min，然后放入離心機(jī)中離心10min，轉(zhuǎn)速為3000r/min取上清液用濾紙過(guò)濾，測(cè)定BPA平衡濃度。制作曲線。 （5） 吸附時(shí)間的影響： 配置50ml/L BPA溶液20ml分別加入0.003g粉末活

18、性炭分別振蕩15min、30min、45min、60min、90min、120min放入離心機(jī)中離心10min，轉(zhuǎn)速為3000r/min取上清液用濾紙過(guò)濾，測(cè)定BPA平衡濃度。以溶液中BPA去除率對(duì)時(shí)間作吸附平衡時(shí)間曲線。 （6） pH的影響： 用氫氧化鈉溶液和氯化氫溶液調(diào)整溶液體系pH值，使pH值分別接近1、3、5、7、9、11、14加入0.003g粉末活性炭和50ml/L BPA溶液20ml，振蕩2小時(shí)，轉(zhuǎn)速為300r/min，然后放入離心機(jī)中離心10min，轉(zhuǎn)速為3000r/min取上清液用濾紙過(guò)濾，測(cè)定BPA平衡濃度。制作曲線。 （7） 鹽度的影響： 用氯化鈉配置鹽度為

19、0.001mol/L、0.005mol/L、0.01mol/L、0.03mol/L、0.05mol/L的BPA濃度為50mg/L的溶液，加入0.003g粉末活性炭振蕩2小時(shí)，轉(zhuǎn)速為300r/min，然后放入離心機(jī)中離心10min，轉(zhuǎn)速為3000r/min取上清液用濾紙過(guò)濾，測(cè)定BPA平衡濃度。 3.2 結(jié)果分析 對(duì)所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較和分析，最終確定粉末活性炭吸附模擬水樣中BPA的最佳pH值，粉末活性炭用量，吸附時(shí)間等最佳參數(shù)。 4研究工作進(jìn)度安排 1、收集資料階段（2月中旬----3月下旬） 此階段主要查閱相關(guān)文獻(xiàn)，資料和咨詢相關(guān)專(zhuān)業(yè)人士，并對(duì)收集的資料進(jìn)行匯總和學(xué)習(xí)，以達(dá)到對(duì)本

20、課題有一定的認(rèn)識(shí)。 2、論文方案確定階段（3月下旬----四月初） 完成開(kāi)題報(bào)告 3、實(shí)驗(yàn)階段（4月中旬----5月中旬） 此階段主要是采樣，實(shí)驗(yàn)，分析及評(píng)價(jià)工作，為論文提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 4、論文纂寫(xiě)階段（5月下旬----6月中旬） 完成論文和其他工作，準(zhǔn)備答辯。 參考文獻(xiàn) [1] 周淵.淺談我國(guó)水污染現(xiàn)狀及對(duì)策[J].科技促進(jìn)發(fā)展，2009,8,28：240-241 [2] STAPLES C A ,DORN P B,KLEKAGM ,et al.A review ot he environmental fate，effects,and exposures of bisphe

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