新生物炭负载材料修复阿散酸的经济效益分析

何硕研 朱红梅 李培培

[摘要]研制了一种降解阿散酸的新型生物炭负载材料。通过对照实验，对阿散酸降解的最佳过硫酸钠和尖晶石生物炭负载铁氧体投入量以及最适温度和pH值进行了研究，结果表明：1 mg阿散酸降解的最佳Na2S2O8和新型材料投入量分别为0.025 g和0.06 g;阿散酸降解的适宜温度为常温，适宜pH值为2～9。对处理砷污染地下水的经济效益进行了分析，结果表明：处理1 t砷污染地下水的成本为31.81 元，且低污染、低能耗，在治理阿散酸污染地下水领域有一定的潜力。

[关键词]阿散酸;尖晶石生物炭负载铁氧体;经济效益

[中图分类号]X523[文献标识码]A

近年来，随着有机砷制剂在国际上的推广，阿散酸（ASA）被广泛用于动物饲料中，其易随动物粪便、尿液的排泄进入土壤，并在微生物的作用下由无机砷转化为有机砷流入食物链危害人类健康。目前，世界上超过一亿的人饮用砷污染过的地下水，砷污染严重影响着人体健康和生态环境。国内关于砷污染去除方法有莫静等研究的树脂吸附法、许平平等研究的共生细菌转化砷酸盐的方法以及关小红等关于去除三价砷的氧化-混凝法等。吸附法中对生物炭负载材料如何修复阿散酸污染的研究较少。生物炭作为一种天然吸附材料，具有价格低廉、无环境污染、能回收废水中的砷的优点。本文经过实验探索，发现尖晶石生物炭负载铁氧体（以下简称新型材料）和过硫酸钠可以起到降低阿散酸浓度的作用。如何在实际生产中运用该种新型生物炭负载材料修复阿散酸的原理治理污染，实现经济效益最大化显得至关重要。

本文通过多次对照实验研究阿散酸在不同的pH值、不同的Na2S2O8及新型材料的用量、不同的温度下其浓度的变化规律，计算各条件下的降解率得出了最佳的降解温度、pH值、Na2S2O8以及新型材料的投入量，并综合考虑原材料的价格，求出在实际运行中处理砷污染地下水的投入成本。以期对环境科学领域关于阿散酸污染的解决方法提供一定的经济参考价值。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

1.1.1 试剂。酒槽、一水合硫酸锰、六水合三氯化铁、氢氧化钠、过硫酸钠、对氨基苯胂酸标准样品、对二甲氨基苯甲醛、盐酸（优级纯）、蒸馏水、超纯水、清洗酒精。

1.1.2 仪器。电子分析天平（FA2204B），上海精科天美;电子磁力搅拌水浴锅（HJ-4D），JTLIANGYOU;pH计（PHS-3C旋转按键），齐威;烘干箱（101），恒力（国际）有限公司;抽滤机（260），赣州格林矿山机械;管式炉（QSH-VGF-1200T），上海全硕电炉有限公司;摇床（6S 6-s），通利矿机;移液枪（1 mL）;超声波清洗机（JP-060PLUS），洁盟;紫外分光光度计（UV-6100），美普达。

1.2 实验过程与方法

1.2.1 不同pH值下阿散酸的降解。设置温度为25℃，准备新型材料0.1g，Na2S2O8  0.05g。准备500mL烧杯，装入超纯水，用盐酸和氢氧化钠调pH为2，3，5，7，9，11。每个不同pH溶液取出50mL至白盖瓶中（两份），然后每个白盖瓶中加入1mL的1g/L的ASA标液（反应体系ASA=20mg/kg），0.1g新型材料，0.05gNa2S2O8。放入恒温水浴振荡箱中振荡，以时间点2min，10min，20min，30min，40min，1h，2h，4h，6h，8h取样。取出的样品后过0.45μm水系膜，取2mL，加入1mL显色剂，用超纯水定容至10mL，在波长为450nm时测吸光度。实验结果如图1。

1.2.2 Na2S2O8与阿散酸的反应。固定温度为25℃，准备新型材料0.1g，将pH调为7。每个白盖瓶中加入50mL超纯水，1mL的1g/L的ASA标液，加入0.1g新型材料，然后依次加入不同量的Na2S2O8（每组两个平行）分别为0g，0.025g，0.05g，0.1g，0.2g，0.3g，0.4g，0.5g。摇匀后放入恒温振荡箱中（25℃），以时间2min，10min，20min，30min，40min，1h，2h，4h，6h，8h取样，共160个样品。取出的样品后过0.45μm水系微孔滤膜，取2mL，加入1mL显色剂，用超纯水定容至10mL，在波长为450nm时测吸光度。结果如图2。

1.2.3 尖晶石生物炭负载铁氧体与阿散酸的反应。设置温度为25℃、pH为7，取Na2S2O80.025g。在上述最优pH和最适Na2S2O8量的条件下，改变新型材料的量，依次为0g，0.005g，0.01g，0.02g，0.03g，0.04g，0.05g，0.06g，0.08g，0.1g。重复上述步骤。此过程共涉及140个样品，结果如图3。

1.2.4 不同温度下阿散酸的降解。设置温度为25℃，取Na2S2O80.05g，新型材料0.1g，调节pH为7。在上述最适pH、Na2S2O8量、新型材料量的情况下，改变振荡温度，分别为25℃，35℃，45℃，55℃，重复上述步骤。此过程共涉及80个样品，结果如图4。

2 实验结果分析

2.1 最优pH 值确定

由图1可知，当pH为11时，阿散酸浓度在整个过程中变化不大，而pH为2～9时，阿散酸浓度接近0 mg/kg，计算各pH值下阿散酸的降解率得到如图5所示的结果。pH在2～9之间，降解率达到了94%以上，表明阿散酸降解的適应pH值范围大，可作为阿散酸降解的适宜pH值。

2.2 最优Na2S2O8量的确定

观察图2，从整体来看，空白对照组阿散酸浓度基本保持不变，实验组各曲线变化趋势基本一致，并呈现由快到慢的规律。实验组和对照组的差异说明Na2S2O8 与阿散酸反应明显，Na2S2O8可作为阿散酸降解的原料之一。为更清楚探究过硫酸钠投入量对阿散酸降解率的影响，做出如图6所示的结果。曲线存在最高点，该点横坐标为0.025，纵坐标为100，说明8 h内0.025 g的Na2S2O8 能彻底降解浓度为20 mg/L，容积为50 mL的阿散酸溶液。