有机砷与铝水解聚合物的形态匹配机制及其最优混凝去除原理

Coagulation by Al based flocculants is most commonly used to remove arsenic (As) from water. Due to the role of organic ligands, the coagulation properties of organoarsenicals are different with inorganic As. Although the pollution of organoarsenicals is serious in China, the speciation character, transformation, and removal of organoarsenicals during coagulation process have not been studied. So, it is important to examine the performance of Al based flocculants on organoarsenicals removal during water treatment process. The present project focuses on the interface between Al hydrolyzates and organoarsenicals to better understand the speciation transformation and interaction during coagulation process. We want to reveal the speciation matching relationship between Al hydrolyzates and organoarsenicals, and clarify the coagulation mechanism of the most active Al species. On the basis of the speciation matching relationship, the method to regulate the coordinated transformation of Al and organoarsenicals species will be present, and the corresponding technique process will be illuminate. This project will further promote the development of the flocculation morphology theory, and provide the technical basis for water treatment to remove organoarsenicals.

混凝是最常采用的水处理除砷方法。因有机配体的存在，有机砷表现出特有的混凝特性。我国有机砷污染形势严峻，但目前水处理过程中对有机砷的形态特征与调控转化，以及混凝去除尚未有研究。为此，本项目将开展铝盐絮凝剂除有机砷研究，从铝水解聚合物与有机砷作用的微界面认识各种形态转化与交互作用的机制，揭示有机砷与铝絮凝作用的形态匹配规律，明确最优絮凝形态及其凝聚除砷作用机制，在此基础上探索混凝过程中铝形态和有机砷形态协同转化的方法，阐明基于有机砷与铝水解聚合物形态匹配机制的最优除砷技术原理。本项目研究将进一步推动水处理絮凝形态学理论的发展，为水处理去除有机砷提供技术基础。

水中砷的去除方法和材料开发始终是饮用水安全保障的研究热点。有机砷相比无机砷往往具有更高的迁移性，并可在环境中转化为毒性更强的砷形态，因而对水生态和人体健康可能具有更大危害。因有机配体的存在，有机砷将表现出特有的混凝特性，但目前水处理过程中对有机砷的形态特征与调控转化，以及混凝去除尚未有研究。本项目聚焦水处理中有机砷形态的转化和絮凝匹配机制，对甲基取代和苯环取代有机砷进行了絮凝、高级氧化等去除技术探索，明确了有机配体在絮凝和氧化过程中的影响机制，进一步推动了形态匹配净水理论的发展，为水处理去除有机砷提供了技术基础。本项目相关研究成果发表SCI学术论文11篇、中文核心期刊4篇，培养研究生7名。具体研究内容及成果如下：.1、发现随着甲基取代程度的增加有机砷混凝效能下降，阿散酸（ASA）较As(V)、苯砷酸（PA）具有较低的絮凝去除效能。铁盐比铝盐表现更好，在弱酸性pH条件下有机砷去除效果达到最大，不论铁盐或铝盐都难以有效去除水中二甲基砷（DMA）和ASA。混凝过程中有机砷中的As-O-基团取代了Fe/Al氢氧化物的-OH基团形成M-O-As（M-Fe/Al）形式的络合物，从而将甲基砷从水中去除。NaClO和KMnO4难以氧化DMA。.2、光催化可有效去除DMA和ASA，TiO2光催化可以将有机砷氧化降解为无机砷，进而又被TiO2吸附去除。介孔TiO2具有更多的氧空位和较大的比表面积，因而可以强化对有机砷的光催化氧化-吸附去除。TiO2表面空穴是氧化有机砷的最主要活性物种，超氧自由基也发挥了一定作用，而羟基自由基并不是有机砷光催化氧化活性物种。.3、Fe3C/C电极氧化降解DMA过程中，DMA先被·OH氧化为MMA，之后被吸附到阴极表面进一步原位氧化转化为As(V)，最终产物被富集在阴极ACF上，阴阳极具有良好除砷协同作用。最佳反应条件为pH = 3、电流强度0.15 A、催化剂投量500 mg/L，反应360 min，DMA降解效率为96 %。氧化活性物种为•OH，最高产量约为88μmol/L。