粉末活性炭吸附处理废水中双酚A的 研究开题报告

中国计量学院现代科技学院毕业设计（论文）开题报告学生姓名： 苏瀚卿 学 号： 0630223131 专 业： 安全工程 班 级： 安全061班 设计（论文）题目： 粉末活性炭吸附处理废水中双酚A的研究 指导教师： 石明娟 系： 计测工程系 2010年3月23日1课题背景和意义1.1我国水资源现状水污染来源包括天然的污染源及人为的污染源，人为的污染源包括生活污废水和工业废水的排放、农药、肥料等物质，这些物质经由地表水或地下水的渗透与流动而进入水体，使得水体环境受到污染，森林采伐、耕作、土木工程等人为因素也能造成水体中悬浮物与溶解物的增加。水资源的污染给人们的生活带来一系列问题。有机物质水中缺氧，危及鱼类的生存，致使需要氧气的微生物死亡。而正是这些需氧微生物能够分解有机质，维持着河流，小溪的自我净化能力。它们死亡的后果是：河流和溪流发黑，变臭，毒素积累，伤害人畜。污染源中一些化学药品特别是重金属物质（如镉、砷、铅、铬等）会通过食物链积累在水生生物体内，致使人食用后慢性积累中毒。被化学药品污染的水难以在短时间内得到净化，人类的饮水安全和健康受到威胁。根据2009年中华人民共和国环境保护部公布的2007年全国水环境质量状况的数字表明，全国地表水污染依然严重。长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河和辽河等七大水系总体水质为中度污染1。1.2 水中含双酚A污染对环境的影响。双酚A（Bisphenol A，BPA），学名2,2-双（4-羟基苯基）丙烷，分子式为C15H16O2，白色至淡褐色片状或粉末状固体，微有酚的气味。溶于碱溶液、乙醇、丙酮、乙酸、乙醚和苯，微溶于四氯化碳，几乎不溶于水。是聚碳酸酯、环氧树脂和酚醛树脂的原材料，也是外科修补术中抗氧化和稳定化处理的重要材料，在食品包装和容器内壁涂装中广泛使用。BPA在生产和使用过程中通过大气或污水进入水环境，然后在微生物的作用下逐渐分解，其半衰期大约为2.54.0d。BPA属于内分泌干扰物。近年来研究表明，BPA具有雌激素活性，微量甚至痕量的浓度也可能对动物生理状况、生殖系统以及胎儿发育造成不良影响。在某些污染环境下，BPA能干扰多种生物的内分泌功能，影响野生生物安全，甚至威胁人类生命健康，因此BPA已经被欧盟一些国家列入优先污染物的黑名单2，BPA的生产和使用大量增加，全球BPA使用量已超过200万t，其最终归宿是由各种途径进入水环境，并通过食物链作用在水生生态系统中进行传递，对水生生物产生内分泌干扰作用2。STAPLES等2研究了BPA 对淡水和海水中的微生物和鱼类的毒理学影响，认为BPA 对鱼类的毒性为轻微至中等程度，对生物的影响程度随营养级别提高而增大，不同生物对BPA 的敏感度有差别，慢性毒性试验反应时间为96 h 时，BPA 的无影响作用质量浓度(NOEC)为11703146g/ L，急性毒性试验反应时间为18 h 时，BPA的半效应质量浓度( EC50 )为1000320000g/ L 。1.3 国内外研究现状含酚废水的处理方法一般分为物化法、化学法和生物法3大类3。物化法包括溶剂萃取法、吸附法、液膜法等。从环境和经济效益两个角度考虑，水处理技术应尽量首先考虑兼顾资源回收利用与废水处理达标排放的技术。吸附法是一种操作简便、可实现废水中有用资源回收利用，对高、低浓度废水均适用的物理化学方法3。1.3.1 物理法BPA是一种有机物，通过吸附的途径而脱除是物理法中应用最广泛的方法之一，各种新型的吸附剂正在被开发利用。国外，有人用-环糊精壳聚糖聚合物来吸附脱除水中的BPA，取得了一定的效果4；Kimoka 等5还在pH值为7.0，BPA 初始浓度为0.2 mmol/L（45.6mg/L） 的溶液中加入5 mg/mL 的正交环状糊精聚合物（PolyCD）吸附剂，当反应进行2h后，发现BPA已被脱除97。国内，冯建敏等6在用吸附性催化剂活性炭处理BPA的基础上，采用微波辐射热技术，建立了脱除废水中BPA的处理工艺。1.3.2 化学法化学方法中，普遍采用氧化的方法即利用氧化剂，在不同条件下，使BPA氧化降解。光催化氧化法是使用较多的氧化法之一。其他还有光催化氧化和电化氧化的技术联用去除BPA，臭氧氧化工艺等方法7。1.3.4 生物法环境中的BPA 污染一般具有范围广、浓度低且污染源会长期存在等特点，单纯依靠物理、化学法往往很难奏效。而生物法具有成本低、作用范围广及持续时间长等特点。利用生物法降解BPA，就是利用从自然界筛选得到的或人工改造得到的可代谢BPA的微生物对其进行降解。目前，生物修复作为彻底清除污染的手段正在环境治理中发挥巨大作用，已有多种环境污染物通过生物降解被成功治理。但是，由于对BPA 降解菌的降解基因还未充分了解，代谢途径尚不明确，许多问题仍处于摸索与探讨的阶段，导致对降解菌的利用相当困难8。1.4 活性炭简介活性炭是一种具有发达孔隙结构的吸附剂，被广泛应用于气体液体的分离精制、资源回收等各个方面，特别是在环境保护领域有着广阔的发展空间。粒状的活性炭因为其良好的机械性能而可以再生、再利用而得到了发展。再生已用的活性炭技术的发展使将活性炭做为控制污染的方法成为了一种可能。各种再生技术如热处理法、化学法、溶剂法、真空法、生物法和湿氧化法已被应用9。活性炭依其原料不同、生产工艺不同，而有不同的吸附性能。使用简易的活性炭选型方法，可以减少应用测试时的备选炭型，从而大大降低活性炭水处理技术的运行成本。以碘值、甲基蓝值、苯酚值和丹宁酸值4种吸附容量性能指标为依据的活性炭选型技术，可以有效地预测活性炭对于水中各种大小不同污染物的去除能力10。随着活性炭粒径的减小(目数的增大)，活性炭的BET比表面积和孔容积确实发生了一定程度的增加7。这可以由普通商品活性炭的不均质性进行解释：活性炭中富含微孔部分的机械强度比其他部分低，更容易形成细小的颗粒，所以越小粒径的活性炭粉末将带有越多的微孔，从而体现出更大的比表面积和孔容积。但是这一趋势并不是绝对的，还会受到其他因素的影响11。由于活性炭比表面积的表面活性，经常用于从水相去污染物质，应用与多种技术和分析中。对活性炭的改性仅仅轻微地改变了其表面积（BET），但很大程度影响了其表面化学结构。这些结构种类繁多，主要取决于所采用的改性程序。通常随着中间体pH值的升高，吸附增多，吸附依赖于所吸附的污染物种类、吸附剂、吸附条件。吸附剂表面和污染物质之间可以发生各种作用，比如形成表面复合物；与强酸表面基团进行离子交换；氧化还原等12。活性炭的氧化使质量明显增加，大小取决于处理样品的方法，而且，活性炭的表面化学性质也发生了改变。热处理过程中样品的质量损失高于样品处理过程中质量的增加。在30180质量的损失高于在180500和500800。在各温度范围内质量的损失随着硝酸溶液浓度的增加，脱气和接触温度和时间的增加而增加。经过硝酸处理的活性炭的质量和表面积发生了改变，这主要取决于酸的浓度、脱气条件和接触条件。样品的热行为也受样品制备方法的影响12。1.5 活性炭对水中微量有机物的吸附机理活性炭对水中微量有机污染物的吸附能力大小与活性炭本身的微孔结构和有机物的性质有关，二者之间的相互作用包括物理相互作用和化学相互作用。非极性分子中的电子和原子核都处在不断的运动之中。经常会发生正负电荷重心之间的瞬时相对位移，从而产生瞬间偶极。由于同极相斥，异极相吸，每个瞬间偶极必然处于异极相邻状态而相互吸引，这种由瞬间偶极所产生的作用力叫做色散力。相对分子质量越大或分子的体积越大，色散力就越大。色散力不但存在于非极性分子间，同时也存在于极性与非极性分子之间，以及极性分子之间。活性炭对有机物的吸附主要由物理和化学两种相互作用所决定。1.5.1 物理相互作用物理相互作用包括排斥（Size Exclusion）和微孔效应。尺寸排斥决定了吸附质分子所能进入的活性炭微孔，活性炭微孔以及目标分子（吸附质分子）的相对“尺寸”分布，决定了活性炭的微孔效应，其效应是活性炭对吸附质分子的有效吸附面积的函数。尺寸排斥降低了活性炭对大分子有机物的吸附，因此针对性地选择活性炭孔径分布有利于增加活性炭吸附容量。1.5.2 化学相互作用化学相互作用包括活性炭的表面化学特征，吸附质及溶剂的化学性质。化学作用对大分子均很重要。一般情况下，吸附质在水中的溶解度越小，活性炭对其吸附容量越大。除非特性的色散力外，活性炭表面（包括基平面电子、弧对电子和表面官能团）与吸附质之间存在着特殊的互相作用，这些表面基团可能影响活性炭的表面极性与溶剂间的作用，可离子化的吸附质还受到作为溶剂的水的性质影响，如静电作用，pH 值和离子强度的影响14。1.6 研究的目的和意义BPA 作为一种重要的化工原料为人类生活带来了很多方便，其使用量在世界范围内未来几年仍处于上升趋势，而它的负面效应就会不断地表现出来。随着科技的发展，有越来越多的新兴方法和技术应用于治理BPA的污染，然而这些方法和技术均存在着不同的局限性，如使用吸附法，经济有效的吸附剂制备比较困难，还存在解析的问题；采用氧化法，工艺的运行处理费用较高，在一定程度上限制了它们的推广；利用微生物降解，是否会产生二次污染，微生物是否会释放出对人类有害的物质，这都有待于进一步研究15-19。本文拟通过对各种参数下粉末活性炭吸附水样中双酚A效果的研究，找出最佳吸附条件，并试验在此最佳吸附条件下的去除率，这一研究对于目前BPA水污染的治理具有积极意义。2课题基本内容和拟解决的主要问题2.1课题基本内容以粉末活性炭为吸附剂进行吸附BPA的试验，及各种因素对其的影响：（1） 研究活性炭对水样中BPA的吸附效果；（2） 研究活性炭各控制参数的变化（吸附时间、PH值、活性炭用量）对处理效果的影响；（3） 确定其吸附BPA的最佳参数。2.2拟解决的主要问题：（1） 粉末活性炭吸附BPA的吸附性能变化曲线；（2） 确定其吸附BPA的最佳参数。3研究方法及措施本试验采用粉末活性炭，研究在pH值不同的水样中粉末活性炭对BPA的吸附效果。其主要考虑的因素还包括粉末活性炭用量、pH值以及吸附时间对吸附效果的影响。3.1 材料与方法3.1.1 试验材料供试的吸附剂：粉末活性炭。供试的化学试剂: 双酚A、NaOH、Na2CO3、NaHCO3。试验仪器：紫外可见分光光度计。3.1.2 试验方法（1） 标准曲线的绘制：（2） 分别配置1mg/L、2mg/L、4mg/L、6mg/L、8mg/L、10mg/L、15mg/L、20mg/L、50mg/L、100mg/L双酚A溶液,用紫外可见分光光度计测出它们的吸光度，制成这一浓度范围的标准曲线。（3） 粉末活性炭用量的影响：配置50mg/L浓度的BPA溶液20ml加入0.001-1g之间不同量的粉末活性炭振荡2小时，转速为300r/min，然后放入离心机中离心10min，转速为3000r/min取上清液用滤纸过滤，测定BPA平衡浓度。以平衡浓度和粉末活性炭用量分别为横坐标和纵坐标作图。（4） BPA浓度的影响： 配置10mg/L、20mg/L、30mg/L、50mg/L、80mg/L、100mg/L的BPA溶液加入0.005g粉末活性炭振荡2小时，转速为300r/min，然后放入离心机中离心10min，转速为3000r/min取上清液用滤纸过滤，测定BPA平衡浓度。制作曲线。（5） 吸附时间的影响：配置50ml/L BPA溶液20ml分别加入0.003g粉末活性炭分别振荡15min、30min、45min、60min、90min、120min放入离心机中离心10min，转速为3000r/min取上清液用滤纸过滤，测定BPA平衡浓度。以溶液中BPA去除率对时间作吸附平衡时间曲线。（6） pH的影响：用氢氧化钠溶液和氯化氢溶液调整溶液体系pH值，使pH值分别接近1、3、5、7、9、11、14加入0.003g粉末活性炭和50ml/L BPA溶液20ml，振荡2小时，转速为300r/min，然后放入离心机中离心10min，转速为3000r/min取上清液用滤纸过滤，测定BPA平衡浓度。制作曲线。（7） 盐度的影响： 用氯化钠配置盐度为0.001mol/L、0.005mol/L、0.01mol/L、0.03mol/L、0.05mol/L的BPA浓度为50mg/L的溶液，加入0.003g粉末活性炭振荡2小时，转速为300r/min，然后放入离心机中离心10min，转速为3000r/min取上清液用滤纸过滤，测定BPA平衡浓度。3.2 结果分析对所得的实验结果进行比较和分析，最终确定粉末活性炭吸附模拟水样中BPA的最佳pH值，粉末活性炭用量，吸附时间等最佳参数。4研究工作进度安排1、收集资料阶段（2月中旬-3月下旬）此阶段主要查阅相关文献，资料和咨询相关专业人士，并对收集的资料进行汇总和学习，以达到对本课题有一定的认识。2、论文方案确定阶段（3月下旬-四月初）完成开题报告3、实验阶段（4月中旬-5月中旬）此阶段主要是采样，实验，分析及评价工作，为论文提供实验依据。4、论文纂写阶段（5月下旬-6月中旬）完成论文和其他工作，准备答辩。参考文献1 周渊.浅谈我国水污染现状及对策J.科技促进发展，2009,8,28：240-2412 STAPLES C A ,DORN P B,KLEKAGM ,et al.A review ot he environmental fate，effects,and 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