水中亚硝胺类污染物的吸附去除与作用机制

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饮用水安全直接关系到人类健康、社会稳定及经济发展。饮用水在消毒过程中,消毒剂会和源水中的有机质及微量有机污染物反应生成有害的消毒副产物(Disinfection by-products, DBPs)而严重威胁人类健康。亚硝胺(Nitrosamines)作为一种新型的含氮DBPs,由于其潜在的致癌、致畸和致突变性而成为国内外学者研究的热点,控制和去除饮用水中的亚硝胺DBPs对保障公众健康和发展安全的饮用水工业具有重要的意义。论文在评述亚硝胺DBPs毒性效应、浓度水平和控制技术的基础上,针对饮用水中亚硝胺DBPs的控制和消除,研究了吸附法去除饮用水中亚硝胺DBPs的作用及机制,重点研究了生物炭和有机膨润土对亚硝基二甲胺(NDMA)等亚硝胺的吸附性能、构-效关系及影响因素,初步探讨了吸附过程的作用机制,试图为开发经济、高效的亚硝胺吸附材料以及控制和消除饮用水中亚硝胺DBPs提供理论依据。论文的主要创新性结论如下:(1)生物炭对NDMA的吸附性能随生物质原料及制备温度的不同而呈现较大差异。同种生物炭对NDMA的吸附去除率随制备温度的升高逐渐升高(300-500℃),但制备温度升至700℃时,吸附去除率却显著下降;竹质生物炭相较水稻秸秆生物炭和木屑生物炭表现出更强的吸附能力,BC500对NDMA的吸附去除率约为RC500和WC500的2.2倍;推断NDMA在生物炭上的吸附机理主要包括NDMA分子中的亚硝基与生物炭表面含氧官能团间的氢键吸引、甲基与生物炭石墨化结构间的疏水作用以及NDMA分子在生物炭的非碳化组分中的分配作用等微观机制。(2)制备温度显著影响竹质生物炭的表面结构和性质及其对NDMA的吸附性能。竹质生物炭的含碳量、比表面积、芳香性及对NDMA的吸附去除率均随制备温度的升高而增大,且NDMA的Freundlich吸附常数KF和Langmuir最大吸附量qm均与生物炭的芳香性和比表面积呈正相关,但与极性负相关;低温竹质生物炭对NDMA的吸附主要是分配作用调控的线性吸附,而高温竹质生物炭的吸附作用则是多种作用机制联合调控的非线性吸附。(3)生物炭对不同亚硝胺的吸附能力随化合物疏水性的增大而增大,且等温吸附曲线的Freundlich吸附常数KF和非线性指数n值均与亚硝胺的logKow值线性正相关;共存亚硝胺在竹质生物炭及活性炭上会发生竞争吸附,亚硝胺的疏水性越强对共存化合物吸附的抑制作用越强;竞争吸附导致单种亚硝胺吸附量的降低,但混合体系中亚硝胺的总吸附量高于单溶质体系中亚硝胺吸附量的最大值.(4)有机膨润土对亚硝基二苯胺(NDPhA)和二苯胺(DPhA)的吸附过程主要受化学吸附调控,分配作用是有机膨润土吸附NDPhA的主要机制,而表面吸附和分配作用共存于DPhA的吸附过程;有机膨润土对NDPhA的吸附去除率与溶液中吸附剂浓度的倒数呈线性相关,DPhA的最大吸附量随有机膨润土用量的增加而减少。
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