新生物炭負載材料修復(fù)阿散酸的經(jīng)濟效益分析

何碩研 朱紅梅 李培培

[摘要]研制了一種降解阿散酸的新型生物炭負載材料。通過對照實驗，對阿散酸降解的最佳過硫酸鈉和尖晶石生物炭負載鐵氧體投入量以及最適溫度和pH值進行了研究，結(jié)果表明：1 mg阿散酸降解的最佳Na2S2O8和新型材料投入量分別為0.025 g和0.06 g;阿散酸降解的適宜溫度為常溫，適宜pH值為2～9。對處理砷污染地下水的經(jīng)濟效益進行了分析，結(jié)果表明：處理1 t砷污染地下水的成本為31.81 元，且低污染、低能耗，在治理阿散酸污染地下水領(lǐng)域有一定的潛力。

[關(guān)鍵詞]阿散酸;尖晶石生物炭負載鐵氧體;經(jīng)濟效益

[中圖分類號]X523[文獻標識碼]A

近年來，隨著有機砷制劑在國際上的推廣，阿散酸（ASA）被廣泛用于動物飼料中，其易隨動物糞便、尿液的排泄進入土壤，并在微生物的作用下由無機砷轉(zhuǎn)化為有機砷流入食物鏈危害人類健康。目前，世界上超過一億的人飲用砷污染過的地下水，砷污染嚴重影響著人體健康和生態(tài)環(huán)境。國內(nèi)關(guān)于砷污染去除方法有莫靜等研究的樹脂吸附法、許平平等研究的共生細菌轉(zhuǎn)化砷酸鹽的方法以及關(guān)小紅等關(guān)于去除三價砷的氧化-混凝法等。吸附法中對生物炭負載材料如何修復(fù)阿散酸污染的研究較少。生物炭作為一種天然吸附材料，具有價格低廉、無環(huán)境污染、能回收廢水中的砷的優(yōu)點。本文經(jīng)過實驗探索，發(fā)現(xiàn)尖晶石生物炭負載鐵氧體（以下簡稱新型材料）和過硫酸鈉可以起到降低阿散酸濃度的作用。如何在實際生產(chǎn)中運用該種新型生物炭負載材料修復(fù)阿散酸的原理治理污染，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化顯得至關(guān)重要。

本文通過多次對照實驗研究阿散酸在不同的pH值、不同的Na2S2O8及新型材料的用量、不同的溫度下其濃度的變化規(guī)律，計算各條件下的降解率得出了最佳的降解溫度、pH值、Na2S2O8以及新型材料的投入量，并綜合考慮原材料的價格，求出在實際運行中處理砷污染地下水的投入成本。以期對環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域關(guān)于阿散酸污染的解決方法提供一定的經(jīng)濟參考價值。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

1.1.1 試劑。酒槽、一水合硫酸錳、六水合三氯化鐵、氫氧化鈉、過硫酸鈉、對氨基苯胂酸標準樣品、對二甲氨基苯甲醛、鹽酸（優(yōu)級純）、蒸餾水、超純水、清洗酒精。

1.1.2 儀器。電子分析天平（FA2204B），上海精科天美;電子磁力攪拌水浴鍋（HJ-4D），JTLIANGYOU;pH計（PHS-3C旋轉(zhuǎn)按鍵），齊威;烘干箱（101），恒力（國際）有限公司;抽濾機（260），贛州格林礦山機械;管式爐（QSH-VGF-1200T），上海全碩電爐有限公司;搖床（6S 6-s），通利礦機;移液槍（1 mL）;超聲波清洗機（JP-060PLUS），潔盟;紫外分光光度計（UV-6100），美普達。

1.2 實驗過程與方法

1.2.1 不同pH值下阿散酸的降解。設(shè)置溫度為25℃，準備新型材料0.1g，Na2S2O8 ?0.05g。準備500mL燒杯，裝入超純水，用鹽酸和氫氧化鈉調(diào)pH為2，3，5，7，9，11。每個不同pH溶液取出50mL至白蓋瓶中（兩份），然后每個白蓋瓶中加入1mL的1g/L的ASA標液（反應(yīng)體系A(chǔ)SA=20mg/kg），0.1g新型材料，0.05gNa2S2O8。放入恒溫水浴振蕩箱中振蕩，以時間點2min，10min，20min，30min，40min，1h，2h，4h，6h，8h取樣。取出的樣品后過0.45μm水系膜，取2mL，加入1mL顯色劑，用超純水定容至10mL，在波長為450nm時測吸光度。實驗結(jié)果如圖1。

1.2.2 Na2S2O8與阿散酸的反應(yīng)。固定溫度為25℃，準備新型材料0.1g，將pH調(diào)為7。每個白蓋瓶中加入50mL超純水，1mL的1g/L的ASA標液，加入0.1g新型材料，然后依次加入不同量的Na2S2O8（每組兩個平行）分別為0g，0.025g，0.05g，0.1g，0.2g，0.3g，0.4g，0.5g。搖勻后放入恒溫振蕩箱中（25℃），以時間2min，10min，20min，30min，40min，1h，2h，4h，6h，8h取樣，共160個樣品。取出的樣品后過0.45μm水系微孔濾膜，取2mL，加入1mL顯色劑，用超純水定容至10mL，在波長為450nm時測吸光度。結(jié)果如圖2。

1.2.3 尖晶石生物炭負載鐵氧體與阿散酸的反應(yīng)。設(shè)置溫度為25℃、pH為7，取Na2S2O80.025g。在上述最優(yōu)pH和最適Na2S2O8量的條件下，改變新型材料的量，依次為0g，0.005g，0.01g，0.02g，0.03g，0.04g，0.05g，0.06g，0.08g，0.1g。重復(fù)上述步驟。此過程共涉及140個樣品，結(jié)果如圖3。

1.2.4 不同溫度下阿散酸的降解。設(shè)置溫度為25℃，取Na2S2O80.05g，新型材料0.1g，調(diào)節(jié)pH為7。在上述最適pH、Na2S2O8量、新型材料量的情況下，改變振蕩溫度，分別為25℃，35℃，45℃，55℃，重復(fù)上述步驟。此過程共涉及80個樣品，結(jié)果如圖4。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 最優(yōu)pH 值確定

由圖1可知，當pH為11時，阿散酸濃度在整個過程中變化不大，而pH為2～9時，阿散酸濃度接近0 mg/kg，計算各pH值下阿散酸的降解率得到如圖5所示的結(jié)果。pH在2～9之間，降解率達到了94%以上，表明阿散酸降解的適應(yīng)pH值范圍大，可作為阿散酸降解的適宜pH值。

2.2 最優(yōu)Na2S2O8量的確定

觀察圖2，從整體來看，空白對照組阿散酸濃度基本保持不變，實驗組各曲線變化趨勢基本一致，并呈現(xiàn)由快到慢的規(guī)律。實驗組和對照組的差異說明Na2S2O8 與阿散酸反應(yīng)明顯，Na2S2O8可作為阿散酸降解的原料之一。為更清楚探究過硫酸鈉投入量對阿散酸降解率的影響，做出如圖6所示的結(jié)果。曲線存在最高點，該點橫坐標為0.025，縱坐標為100，說明8 h內(nèi)0.025 g的Na2S2O8 能徹底降解濃度為20 mg/L，容積為50 mL的阿散酸溶液。