新生物炭負(fù)載材料修復(fù)阿散酸的經(jīng)濟(jì)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(fù)載材料。通過(guò)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，對(duì)阿散酸降解的最佳過(guò)硫酸鈉和尖晶石生物炭負(fù)載鐵氧體投入量以及最適溫度和pH值進(jìn)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(duì)處理砷污染地下水的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)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(fù)載鐵氧體;經(jīng)濟(jì)效益

[中圖分類號(hào)]X523[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

近年來(lái)，隨著有機(jī)砷制劑在國(guó)際上的推廣，阿散酸（ASA）被廣泛用于動(dòng)物飼料中，其易隨動(dòng)物糞便、尿液的排泄進(jìn)入土壤，并在微生物的作用下由無(wú)機(jī)砷轉(zhuǎn)化為有機(jī)砷流入食物鏈危害人類健康。目前，世界上超過(guò)一億的人飲用砷污染過(guò)的地下水，砷污染嚴(yán)重影響著人體健康和生態(tài)環(huán)境。國(guó)內(nèi)關(guān)于砷污染去除方法有莫靜等研究的樹(shù)脂吸附法、許平平等研究的共生細(xì)菌轉(zhuǎn)化砷酸鹽的方法以及關(guān)小紅等關(guān)于去除三價(jià)砷的氧化-混凝法等。吸附法中對(duì)生物炭負(fù)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(jià)格低廉、無(wú)環(huán)境污染、能回收廢水中的砷的優(yōu)點(diǎn)。本文經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)探索，發(fā)現(xiàn)尖晶石生物炭負(fù)載鐵氧體（以下簡(jiǎn)稱新型材料）和過(guò)硫酸鈉可以起到降低阿散酸濃度的作用。如何在實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)用該種新型生物炭負(fù)載材料修復(fù)阿散酸的原理治理污染，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化顯得至關(guān)重要。

本文通過(guò)多次對(duì)照實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jià)格，求出在實(shí)際運(yùn)行中處理砷污染地下水的投入成本。以期對(duì)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(jì)參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)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(guò)硫酸鈉、對(duì)氨基苯胂酸標(biāo)準(zhǔn)樣品、對(duì)二甲氨基苯甲醛、鹽酸（優(yōu)級(jí)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(jì)（PHS-3C旋轉(zhuǎn)按鍵），齊威;烘干箱（101），恒力（國(guó)際）有限公司;抽濾機(jī)（260），贛州格林礦山機(jī)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(jī);移液槍（1 mL）;超聲波清洗機(jī)（JP-060PLUS），潔盟;紫外分光光度計(jì)（UV-6100），美普達(dá)。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)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(zhǔn)備新型材料0.1g，Na2S2O8 ?0.05g。準(zhǔn)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(gè)不同pH溶液取出50mL至白蓋瓶中（兩份），然后每個(gè)白蓋瓶中加入1mL的1g/L的ASA標(biāo)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(shí)間點(diǎn)2min，10min，20min，30min，40min，1h，2h，4h，6h，8h取樣。取出的樣品后過(guò)0.45μm水系膜，取2mL，加入1mL顯色劑，用超純水定容至10mL，在波長(zhǎng)為450nm時(shí)測(cè)吸光度。實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)備新型材料0.1g，將pH調(diào)為7。每個(gè)白蓋瓶中加入50mL超純水，1mL的1g/L的ASA標(biāo)液，加入0.1g新型材料，然后依次加入不同量的Na2S2O8（每組兩個(gè)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(shí)間2min，10min，20min，30min，40min，1h，2h，4h，6h，8h取樣，共160個(gè)樣品。取出的樣品后過(guò)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(zhǎng)為450nm時(shí)測(cè)吸光度。結(jié)果如圖2。

1.2.3 尖晶石生物炭負(fù)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(guò)程共涉及140個(gè)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(guò)程共涉及80個(gè)樣品，結(jié)果如圖4。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 最優(yōu)pH 值確定

由圖1可知，當(dāng)pH為11時(shí)，阿散酸濃度在整個(gè)過(guò)程中變化不大，而pH為2～9時(shí)，阿散酸濃度接近0 mg/kg，計(jì)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(dá)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(lái)看，空白對(duì)照組阿散酸濃度基本保持不變，實(shí)驗(yàn)組各曲線變化趨勢(shì)基本一致，并呈現(xiàn)由快到慢的規(guī)律。實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的差異說(shuō)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(guò)硫酸鈉投入量對(duì)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(diǎn)，該點(diǎn)橫坐標(biāo)為0.025，縱坐標(biāo)為100，說(shuō)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。