粉末活性炭吸附處理廢水中雙酚A的 研究開題報告

中國計量學院現(xiàn)代科技學院畢業(yè)設計（論文）開題報告學生姓名： 蘇瀚卿 學 號： 0630223131 專 業(yè)： 安全工程 班 級： 安全061班 設計（論文）題目： 粉末活性炭吸附處理廢水中雙酚A的研究 指導教師： 石明娟 系： 計測工程系 2010年3月23日1課題背景和意義1.1我國水資源現(xiàn)狀水污染來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，這些物質經(jīng)由地表水或地下水的滲透與流動而進入水體，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一系列問題。有機物質水中缺氧，危及魚類的生存，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質，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。污染源中一些化學藥品特別是重金屬物質（如鎘、砷、鉛、鉻等）會通過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。被化學藥品污染的水難以在短時間內(nèi)得到凈化，人類的飲水安全和健康受到威脅。根據(jù)2009年中華人民共和國環(huán)境保護部公布的2007年全國水環(huán)境質量狀況的數(shù)字表明，全國地表水污染依然嚴重。長江、黃河、珠江、松花江、淮河、海河和遼河等七大水系總體水質為中度污染1。1.2 水中含雙酚A污染對環(huán)境的影響。雙酚A（Bisphenol A，BPA），學名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，微溶于四氯化碳，幾乎不溶于水。是聚碳酸酯、環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂的原材料，也是外科修補術中抗氧化和穩(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)和使用過程中通過大氣或污水進入水環(huán)境，然后在微生物的作用下逐漸分解，其半衰期大約為2.54.0d。BPA屬于內(nèi)分泌干擾物。近年來研究表明，BPA具有雌激素活性，微量甚至痕量的濃度也可能對動物生理狀況、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，甚至威脅人類生命健康，因此BPA已經(jīng)被歐盟一些國家列入優(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200萬t，其最終歸宿是由各種途徑進入水環(huán)境，并通過食物鏈作用在水生生態(tài)系統(tǒng)中進行傳遞，對水生生物產(chǎn)生內(nèi)分泌干擾作用2。STAPLES等2研究了BPA 對淡水和海水中的微生物和魚類的毒理學影響，認為BPA 對魚類的毒性為輕微至中等程度，對生物的影響程度隨營養(yǎng)級別提高而增大，不同生物對BPA 的敏感度有差別，慢性毒性試驗反應時間為96 h 時，BPA 的無影響作用質量濃度(NOEC)為11703146g/ L，急性毒性試驗反應時間為18 h 時，BPA的半效應質量濃度( EC50 )為1000320000g/ L 。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀含酚廢水的處理方法一般分為物化法、化學法和生物法3大類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)濟效益兩個角度考慮，水處理技術應盡量首先考慮兼顧資源回收利用與廢水處理達標排放的技術。吸附法是一種操作簡便、可實現(xiàn)廢水中有用資源回收利用，對高、低濃度廢水均適用的物理化學方法3。1.3.1 物理法BPA是一種有機物，通過吸附的途徑而脫除是物理法中應用最廣泛的方法之一，各種新型的吸附劑正在被開發(fā)利用。國外，有人用-環(huán)糊精殼聚糖聚合物來吸附脫除水中的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 的正交環(huán)狀糊精聚合物（PolyCD）吸附劑，當反應進行2h后，發(fā)現(xiàn)BPA已被脫除97。國內(nèi)，馮建敏等6在用吸附性催化劑活性炭處理BPA的基礎上，采用微波輻射熱技術，建立了脫除廢水中BPA的處理工藝。1.3.2 化學法化學方法中，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、濃度低且污染源會長期存在等特點，單純依靠物理、化學法往往很難奏效。而生物法具有成本低、作用范圍廣及持續(xù)時間長等特點。利用生物法降解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的微生物對其進行降解。目前，生物修復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)境污染物通過生物降解被成功治理。但是，由于對BPA 降解菌的降解基因還未充分了解，代謝途徑尚不明確，許多問題仍處于摸索與探討的階段，導致對降解菌的利用相當困難8。1.4 活性炭簡介活性炭是一種具有發(fā)達孔隙結構的吸附劑，被廣泛應用于氣體液體的分離精制、資源回收等各個方面，特別是在環(huán)境保護領域有著廣闊的發(fā)展空間。粒狀的活性炭因為其良好的機械性能而可以再生、再利用而得到了發(fā)展。再生已用的活性炭技術的發(fā)展使將活性炭做為控制污染的方法成為了一種可能。各種再生技術如熱處理法、化學法、溶劑法、真空法、生物法和濕氧化法已被應用9?；钚蕴恳榔湓喜煌?、生產(chǎn)工藝不同，而有不同的吸附性能。使用簡易的活性炭選型方法，可以減少應用測試時的備選炭型，從而大大降低活性炭水處理技術的運行成本。以碘值、甲基藍值、苯酚值和丹寧酸值4種吸附容量性能指標為依據(jù)的活性炭選型技術，可以有效地預測活性炭對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性進行解釋：活性炭中富含微孔部分的機械強度比其他部分低，更容易形成細小的顆粒，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。但是這一趨勢并不是絕對的，還會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，應用與多種技術和分析中。對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結構。這些結構種類繁多，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，吸附依賴于所吸附的污染物種類、吸附劑、吸附條件。吸附劑表面和污染物質之間可以發(fā)生各種作用，比如形成表面復合物；與強酸表面基團進行離子交換；氧化還原等12?；钚蕴康难趸官|量明顯增加，大小取決于處理樣品的方法，而且，活性炭的表面化學性質也發(fā)生了改變。熱處理過程中樣品的質量損失高于樣品處理過程中質量的增加。在30180質量的損失高于在180500和500800。在各溫度范圍內(nèi)質量的損失隨著硝酸溶液濃度的增加，脫氣和接觸溫度和時間的增加而增加。經(jīng)過硝酸處理的活性炭的質量和表面積發(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 活性炭對水中微量有機物的吸附機理活性炭對水中微量有機污染物的吸附能力大小與活性炭本身的微孔結構和有機物的性質有關，二者之間的相互作用包括物理相互作用和化學相互作用。非極性分子中的電子和原子核都處在不斷的運動之中。經(jīng)常會發(fā)生正負電荷重心之間的瞬時相對位移，從而產(chǎn)生瞬間偶極。由于同極相斥，異極相吸，每個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。相對分子質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τ袡C物的吸附主要由物理和化學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。尺寸排斥決定了吸附質分子所能進入的活性炭微孔，活性炭微孔以及目標分子（吸附質分子）的相對“尺寸”分布，決定了活性炭的微孔效應，其效應是活性炭對吸附質分子的有效吸附面積的函數(shù)。尺寸排斥降低了活性炭對大分子有機物的吸附，因此針對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 化學相互作用化學相互作用包括活性炭的表面化學特征，吸附質及溶劑的化學性質。化學作用對大分子均很重要。一般情況下，吸附質在水中的溶解度越小，活性炭對其吸附容量越大。除非特性的色散力外，活性炭表面（包括基平面電子、弧對電子和表面官能團）與吸附質之間存在著特殊的互相作用，這些表面基團可能影響活性炭的表面極性與溶劑間的作用，可離子化的吸附質還受到作為溶劑的水的性質影響，如靜電作用，pH 值和離子強度的影響14。1.6 研究的目的和意義BPA 作為一種重要的化工原料為人類生活帶來了很多方便，其使用量在世界范圍內(nèi)未來幾年仍處于上升趨勢，而它的負面效應就會不斷地表現(xiàn)出來。隨著科技的發(fā)展，有越來越多的新興方法和技術應用于治理BPA的污染，然而這些方法和技術均存在著不同的局限性，如使用吸附法，經(jīng)濟有效的吸附劑制備比較困難，還存在解析的問題；采用氧化法，工藝的運行處理費用較高，在一定程度上限制了它們的推廣；利用微生物降解，是否會產(chǎn)生二次污染，微生物是否會釋放出對人類有害的物質，這都有待于進一步研究15-19。本文擬通過對各種參數(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，并試驗在此最佳吸附條件下的去除率，這一研究對于目前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題2.1課題基本內(nèi)容以粉末活性炭為吸附劑進行吸附BPA的試驗，及各種因素對其的影響：（1） 研究活性炭對水樣中BPA的吸附效果；（2） 研究活性炭各控制參數(shù)的變化（吸附時間、PH值、活性炭用量）對處理效果的影響；（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采用粉末活性炭，研究在pH值不同的水樣中粉末活性炭對BPA的吸附效果。其主要考慮的因素還包括粉末活性炭用量、pH值以及吸附時間對吸附效果的影響。3.1 材料與方法3.1.1 試驗材料供試的吸附劑：粉末活性炭。供試的化學試劑: 雙酚A、NaOH、Na2CO3、NaHCO3。試驗儀器：紫外可見分光光度計。3.1.2 試驗方法（1） 標準曲線的繪制：（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,用紫外可見分光光度計測出它們的吸光度，制成這一濃度范圍的標準曲線。（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之間不同量的粉末活性炭振蕩2小時，轉速為300r/min，然后放入離心機中離心10min，轉速為3000r/min取上清液用濾紙過濾，測定BPA平衡濃度。以平衡濃度和粉末活性炭用量分別為橫坐標和縱坐標作圖。（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，轉速為300r/min，然后放入離心機中離心10min，轉速為3000r/min取上清液用濾紙過濾，測定BPA平衡濃度。制作曲線。（5） 吸附時間的影響：配置50ml/L BPA溶液20ml分別加入0.003g粉末活性炭分別振蕩15min、30min、45min、60min、90min、120min放入離心機中離心10min，轉速為3000r/min取上清液用濾紙過濾，測定BPA平衡濃度。以溶液中BPA去除率對時間作吸附平衡時間曲線。（6） pH的影響：用氫氧化鈉溶液和氯化氫溶液調整溶液體系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，轉速為300r/min，然后放入離心機中離心10min，轉速為3000r/min取上清液用濾紙過濾，測定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，轉速為300r/min，然后放入離心機中離心10min，轉速為3000r/min取上清液用濾紙過濾，測定BPA平衡濃度。3.2 結果分析對所得的實驗結果進行比較和分析，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，吸附時間等最佳參數(shù)。4研究工作進度安排1、收集資料階段（2月中旬-3月下旬）此階段主要查閱相關文獻，資料和咨詢相關專業(yè)人士，并對收集的資料進行匯總和學習，以達到對本課題有一定的認識。2、論文方案確定階段（3月下旬-四月初）完成開題報告3、實驗階段（4月中旬-5月中旬）此階段主要是采樣，實驗，分析及評價工作，為論文提供實驗依據(jù)。4、論文纂寫階段（5月下旬-6月中旬）完成論文和其他工作，準備答辯。參考文獻1 周淵.淺談我國水污染現(xiàn)狀及對策J.科技促進發(fā)展，2009,8,28：240-2412 STAPLES C A ,DORN P B,KLEKAGM ,et al.A review ot he environmental fate，effects,and exposures of bisphenolAJ.Chemosphere,1998,36(10)：45-46 3 李景華,張小摘,高廷粗,等.粉末活性炭吸附技術研究J安徽科技,1997(4)：51-53.4 Nishiki M, Tojima T, Nishi N, et a1. 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