典型吸附劑在地下水污染防治中的應(yīng)用研究

高優(yōu)娜，趙 瓊，楊志明，莫日根敖其爾

（1.內(nèi)蒙古第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011；2.內(nèi)蒙古正華煤炭科工貿(mào)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

引言

地下水資源作為我國(guó)水資源體系中不可或缺的組成部分，支撐著農(nóng)業(yè)灌溉、城市供水和工業(yè)生產(chǎn)，但隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程加速推進(jìn)，地下水面臨日益嚴(yán)重的污染威脅。例如，某城市是中國(guó)重要的工業(yè)中心之一，長(zhǎng)期以來(lái)工業(yè)廢水排放和農(nóng)業(yè)污染物滲入地下水已導(dǎo)致地下水質(zhì)量下降，引發(fā)了嚴(yán)重的地下水污染問(wèn)題，不僅危及周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，還威脅到了數(shù)百萬(wàn)人口的健康，對(duì)整個(gè)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了負(fù)面影響。

1 研究背景與地區(qū)概況

某城市地下水污染問(wèn)題與其地質(zhì)特征密切相關(guān)，該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜且地下巖層多變，不同地層的滲透性差異巨大，導(dǎo)致了污染物在地下水中的遷移速度和路徑存在著不均勻性。一些地層對(duì)污染物的傳播具有較高的滲透性，而其它地層可能會(huì)限制污染物的傳播，此區(qū)域水文特征還受到季節(jié)性降水和地下水補(bǔ)給帶來(lái)的影響，再加上長(zhǎng)期的過(guò)度開(kāi)采和地下水污染，地下水位迅速下降造成水資源緊張的狀況[1]。季節(jié)性降水波動(dòng)使地下水位的恢復(fù)變得更加困難，加劇了地下水資源的壓力。解決該地區(qū)地下水污染問(wèn)題存在較多困難，并受制于地質(zhì)和水文情況對(duì)其影響的復(fù)雜性，這突出了吸附劑在地下水污染防治中應(yīng)用的迫切性。我們需要采取科學(xué)合理的措施保護(hù)地下水資源，以及更好地保障生態(tài)平衡和人類(lèi)健康。

2 地下水污染及吸附劑的應(yīng)用

2.1 地下水污染機(jī)制

在某城市地下水污染案例中，污染源多元化且傳播途徑復(fù)雜，這為地下水污染機(jī)制的深入研究提供了重要資料。作為一個(gè)重要的工業(yè)中心，各類(lèi)工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)導(dǎo)致大量有機(jī)物和重金屬等污染物進(jìn)入地下水，污染源主要包括化工廠、電子制造業(yè)、冶煉企業(yè)等；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的化肥、農(nóng)藥和獸藥等化學(xué)品經(jīng)雨水沖刷和滲透進(jìn)入地下水，導(dǎo)致地下水中的氨氮、硝酸鹽等含量升高；大量城市污水被排放到下水道系統(tǒng)中，其中一部分滲漏到地下水，這些污水中含有有機(jī)物、微生物和各種化學(xué)物質(zhì)[2]。地下水受到地質(zhì)特征的影響，不同地層中的地下水流速差異明顯，導(dǎo)致污染物在地下水中的傳播速度和路徑不均勻，會(huì)在地下水中形成長(zhǎng)期的滲透帶。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)度開(kāi)采地下水導(dǎo)致了地下水位下降，進(jìn)一步加劇了污染物的遷移，地下水位降低使得地下水中的污染物更易到達(dá)淺層地下水，甚至影響地表水體。

2.2 吸附劑的定義與分類(lèi)

吸附劑是一種具有特定化學(xué)或物理性質(zhì)的材料，能夠?qū)⑷芤褐械奈廴疚镂降狡浔砻?，吸附過(guò)程是通過(guò)吸附劑表面的活性位點(diǎn)吸附溶液中的離子、分子或顆粒物質(zhì)實(shí)現(xiàn)的。吸附過(guò)程通常是一個(gè)可逆的物理或化學(xué)反應(yīng)，具有較高的選擇性和處理效率，使其成為地下水污染防治中的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]。物理吸附是由于吸附劑表面的物理吸引力引起的，分子之間的范德華力和靜電吸引力是吸附作用存在的主要原因。吸附通常在低溫條件下進(jìn)行，吸附與釋放均可逆進(jìn)行。化學(xué)吸附機(jī)制涉及化學(xué)鍵的形成，通常是通過(guò)共價(jià)鍵或離子鍵來(lái)完成吸附?；瘜W(xué)吸附通常在高溫條件下發(fā)生下，具有較高的選擇性。

天然吸附劑在自然界中廣泛存在，例如活性炭、黏土和硅膠等，可通過(guò)物理或化學(xué)處理提高其吸附性能，適用于地下水污染防治。疏水性吸附劑對(duì)疏水性污染物具有較高的親和力，如石墨烯、活性炭等；親水性吸附劑對(duì)親水性污染物更具吸附性能，如改性氧化鐵、聚合物樹(shù)脂等；陽(yáng)離子交換吸附劑通常用于去除帶正電荷的污染物，如重金屬離子；陰離子交換吸附劑主要用于去除帶負(fù)電荷的污染物，如氨氮和硝酸鹽等。在地下水污染防治過(guò)程中，選擇合適的吸附劑非常重要，它們需要適應(yīng)不同類(lèi)型的污染物和水質(zhì)特點(diǎn)，有助于高效去除地下水中的污染物，凈化地下水資源，以減少地下水污染對(duì)環(huán)境和人類(lèi)健康的威脅。

2.3 吸附劑在地下水污染防治中的作用機(jī)制

吸附劑在地下水污染防治中起到關(guān)鍵作用，其作用機(jī)制可以分為吸附原理和去除機(jī)制兩個(gè)方面。吸附劑吸附原理是地下水污染治理的基礎(chǔ)，在吸附過(guò)程中，吸附劑表面的活性位點(diǎn)與污染物之間相互作用，污染物從溶液中被吸附到吸附劑表面。吸附劑表面具有一定的親和力，能夠與污染物形成吸附作用，親和力可以是物理親和力，如范德華力、靜電吸引力，也可以是化學(xué)親和力，如氫鍵或共價(jià)鍵。根據(jù)地下水污染物的性質(zhì)，吸附劑應(yīng)具有較高的親和性[4]。吸附過(guò)程達(dá)到平衡時(shí)，吸附劑表面的吸附位點(diǎn)為飽和狀態(tài)，不再吸附更多的污染物。吸附平衡是吸附劑設(shè)計(jì)應(yīng)用的關(guān)鍵，吸附平衡通常受到溫度、溶液pH值、吸附劑的化學(xué)性質(zhì)等因素的影響。

3 反排液中的離子成分和吸附模擬

3.1 反排液中的離子成分分析

反排液中的離子成分分析是地下水污染防治的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，用于了解地下水污染程度并為后續(xù)的治理和處理提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)[5]。取樣點(diǎn)的反排液現(xiàn)場(chǎng)取樣包括測(cè)量pH值、水溫以及分析陽(yáng)離子和陰離子種類(lèi)及其濃度等。pH值是衡量反排液酸堿性的關(guān)鍵參數(shù)，相關(guān)人員可以使用pH電極在取樣點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量pH值，酸性或堿性的pH值可能提示不同類(lèi)型的污染源，例如低pH值可能暗示有酸性污染物的存在，如重金屬酸性排放等。測(cè)量水溫可以幫助理解地下水的溫度變化，水溫影響離子溶解度，因此在分析離子濃度時(shí)必須記錄水溫。反排液中離子成分統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 反排液中離子成分統(tǒng)計(jì)表 單位：mg/L

反排液的pH值介于酸性和堿性之間（pH值=6.5），接近中性，表明反排液中沒(méi)有明顯的酸性或堿性污染物，中性pH值通常有利于大多數(shù)水體中的生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性。水溫通常受季節(jié)和地理位置的影響，25 ℃是相對(duì)較溫暖的水溫，但它可能是正常的季節(jié)性變化。Na+（17.4 mg/L）是地下水中的常見(jiàn)陽(yáng)離子，其濃度在正常范圍內(nèi)；Fe3+（2.3 mg/L）濃度較低，高鐵濃度可能來(lái)自于工業(yè)廢水排放或地下水中鐵的溶解；K+（71.5 mg/L）是地下水中的常見(jiàn)陽(yáng)離子，其濃度在正常范圍內(nèi)；Ca2+（51.5 mg/L）是地下水中的常見(jiàn)陽(yáng)離子，其濃度在正常范圍內(nèi)；Ba2+（30.5 mg/L）濃度較低，高鋇濃度可能源自地質(zhì)或工業(yè)污染；Mg2+（75.2 mg/L）是地下水中的常見(jiàn)陽(yáng)離子，其濃度在正常范圍內(nèi)；Cl-（55.3 mg/L）濃度在正常范圍內(nèi)，可能來(lái)自自然水體或城市污水排放；CO32-（50.3 mg/L）濃度較低，高碳酸根濃度可能源自工業(yè)廢水排放或地下水的碳酸鹽巖層；SO42-（87.3 mg/L）濃度較高，可能來(lái)自工業(yè)活動(dòng)或地下水中的硫酸鹽。

3.2 吸附模擬方法介紹

吸附模擬方法是研究吸附劑如何與污染物相互作用以及如何去除它們的重要工具，相關(guān)人員在反排液成分分析的基礎(chǔ)上，可以采用吸附模擬來(lái)進(jìn)一步了解吸附劑的性能和效率。吸附等溫線用于描述吸附劑上吸附物質(zhì)的吸附和平衡，在分析反排液中的成分后，可以使用吸附等溫線模型來(lái)預(yù)測(cè)吸附劑與溶液中各種陽(yáng)離子和陰離子的相互作用。Langmuir模型假定吸附劑表面有固定數(shù)量的吸附位點(diǎn)，吸附物質(zhì)在這些位點(diǎn)之間產(chǎn)生吸附和脫附的平衡，這個(gè)模型通常用于描述單層吸附。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到Langmuir等溫線，其中的參數(shù)如最大吸附容量和吸附平衡常數(shù)可以用于評(píng)估吸附劑的性能，吸附等溫線與Langmuir常數(shù)見(jiàn)圖1所示。

圖1 吸附等溫線與Langmuir常數(shù)關(guān)系圖

吸附等溫線橫坐標(biāo)為L(zhǎng)angmuir常數(shù)ρe，ρe＞1，縱坐標(biāo)為ρe（x/m），見(jiàn)式（1）：

Langmuir吸附等溫模型中，吸附劑表面活性分布均勻，每個(gè)點(diǎn)均可吸附一個(gè)分子或離子，為單分子層吸附方式，吸附質(zhì)所占面積保持一致。ρe很低時(shí)，1+bρe趨近于1；ρe很高時(shí)，1+bρe趨近于bρe。

吸附動(dòng)力學(xué)模型用于描述吸附過(guò)程的速率和機(jī)制，在分析反排液成分后，可以使用吸附動(dòng)力學(xué)模型來(lái)了解吸附劑與溶液中各種離子之間的吸附速率和平衡時(shí)間。Pseudo-First-Order模型假定吸附速率與吸附物質(zhì)的濃度成比例關(guān)系，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到Pseudo-First-Order模型的參數(shù)，如吸附速率常數(shù)和平衡吸附量，以評(píng)估吸附劑的吸附速度。Pseudo-Second-Order模型假定吸附速率與吸附物質(zhì)的濃度平方成比例關(guān)系，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到Pseudo-Second-Order模型的參數(shù)，如吸附速率常數(shù)和平衡吸附量，以評(píng)估吸附劑的吸附速度和吸附機(jī)制。綜合以上模型，吸附等溫線模型可用于了解吸附劑與溶液中離子的平衡，而吸附動(dòng)力學(xué)模型則幫助我們了解吸附速率和機(jī)制。模型應(yīng)用有助于優(yōu)化吸附劑的設(shè)計(jì)和使用，以有效去除反排液中的污染物，提高地下水質(zhì)量，保護(hù)環(huán)境和人類(lèi)健康。

3.3 陽(yáng)離子吸附劑對(duì)反排液的吸附模擬

在進(jìn)行陽(yáng)離子吸附劑對(duì)反排液的吸附模擬之前，相關(guān)人員首先需要選擇適當(dāng)?shù)年?yáng)離子吸附劑，并確定吸附實(shí)驗(yàn)條件，然后進(jìn)行吸附模擬和結(jié)果分析。根據(jù)反排液的離子成分分析情況，選擇適合的陽(yáng)離子吸附劑非常重要，考慮到反排液中的離子成分，如Na+、K+、Ca2+、Ba2+和 Mg2+，選擇Amberlite IR-120強(qiáng)酸性離子交換樹(shù)脂，具有高選擇性，可以有效去除多種陽(yáng)離子，具有優(yōu)良的吸附性能。

在進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)時(shí)，相關(guān)人員需要確定以下吸附條件：吸附劑用量根據(jù)反排液的體積和陽(yáng)離子濃度，確定適當(dāng)?shù)奈絼┯昧浚源_保有足夠的吸附位點(diǎn)來(lái)去除陽(yáng)離子；確定吸附平衡所需的時(shí)間，吸附實(shí)驗(yàn)將進(jìn)行一定時(shí)間的攪拌或靜置，以達(dá)到吸附平衡；進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)時(shí)，要控制溫度以保持穩(wěn)定條件，通常室溫（約25 ℃）是一個(gè)合適的選擇；根據(jù)反排液的pH值，可以調(diào)整吸附劑的pH值以最大程度地提高吸附效率；進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)后，可以選擇Amberlite IR-120對(duì)吸附模擬進(jìn)行分析，表2是吸附模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表。

表2 陽(yáng)離子吸附模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

吸附率可以通過(guò)式（2）計(jì)算：

分析結(jié)果應(yīng)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)比，以驗(yàn)證吸附模擬的準(zhǔn)確性和吸附劑的性能，進(jìn)一步的分析可以包括討論吸附動(dòng)力學(xué)模型（如Pseudo-First-Order或Pseudo-Second-Order模型）來(lái)了解吸附速率，以及通過(guò)吸附等溫線模型（如Langmuir或Freundlich模型）來(lái)評(píng)估吸附平衡。這些分析有助于確定陽(yáng)離子吸附劑的性能和適用性，為地下水污染治理提供重要信息。

3.4 陰離子吸附劑對(duì)反排液的吸附模擬

根據(jù)反排液中的陰離子成分分析，選擇適當(dāng)?shù)年庪x子吸附劑至關(guān)重要。考慮到反排液中的陰離子成分，如Cl-、CO32-和SO42-，相關(guān)人員可以選擇一種離子交換樹(shù)脂來(lái)進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)。一種常見(jiàn)的選擇是強(qiáng)堿性離子交換樹(shù)脂，其具有高選擇性，可以有效去除多種陰離子。作為一個(gè)示例，可以選擇規(guī)格型號(hào)為Purolite A520E的離子交換樹(shù)脂，它適用于高效去除多種陰離子。相關(guān)人員應(yīng)根據(jù)反排液的體積和陰離子濃度，確定適當(dāng)?shù)奈絼┯昧?，以確保有足夠的吸附位點(diǎn)來(lái)去除陰離子；確定吸附平衡所需的時(shí)間，吸附實(shí)驗(yàn)將進(jìn)行一定時(shí)間的攪拌或靜置，以達(dá)到吸附平衡；要控制室溫（約25 ℃）以保持穩(wěn)定條件；根據(jù)反排液的pH值，調(diào)整吸附劑的pH值，以最大程度地提高吸附效率；進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)后，可以使用選擇的陰離子吸附劑（例如Purolite A520E）對(duì)吸附模擬進(jìn)行分析，表3是吸附模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表。

表3 陰離子吸附模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

分析結(jié)果應(yīng)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)比，以驗(yàn)證吸附模擬的準(zhǔn)確性和吸附劑的性能。進(jìn)一步的分析可以包括討論吸附動(dòng)力學(xué)模型（如Pseudo-First-Order或Pseudo-Second-Order模型）來(lái)了解吸附速率，以及通過(guò)吸附等溫線模型（如Langmuir或Freundlich模型）來(lái)評(píng)估吸附平衡。這有助于確定陰離子吸附劑的性能和適用性，為地下水污染治理提供重要信息。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，地下水是人類(lèi)生活和工業(yè)生產(chǎn)的重要水資源，地下水污染對(duì)環(huán)境和人類(lèi)健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。保護(hù)地下水資源對(duì)于可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要，研究區(qū)域的地質(zhì)特征和水文情況對(duì)地下水污染的治理具有重要意義。將典型吸附劑應(yīng)用于地下水污染防治，采用不同類(lèi)型的吸附劑進(jìn)行去除陽(yáng)離子和陰離子污染物性能方面的實(shí)驗(yàn)，能夠說(shuō)明典型吸附劑在地下水污染防治中發(fā)揮著重要作用，可為地下水污染治理提供依據(jù)與方向。