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        廢棄HEPA濾網(wǎng)對水環(huán)境影響的實驗研究

        2022-03-29 05:55:12趙志成彭三曦單慧媚趙艷蓮
        科技創(chuàng)新與應用 2022年7期

        趙志成,彭三曦,單慧媚*,趙艷蓮

        (1.桂林理工大學 廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點實驗室,廣西 桂林541004;2.桂林理工大學 巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心,廣西 桂林541004;3.桂林理工大學 地球科學學院,廣西 桂林541004)

        空氣中的主要污染物包括顆粒物(Particulate Matter,PM)、氣態(tài)物質(zhì)、揮發(fā)性和半揮發(fā)性物質(zhì)[1]。其中,PM能吸附大量有致癌物質(zhì)和基因毒性誘變物質(zhì),極易通過鼻口呼吸進入人體,導致慢性病加劇、呼吸系統(tǒng)及心臟系統(tǒng)疾病惡化,改變肺功能及結(jié)構(gòu)、影響生殖能力甚至改變?nèi)梭w的免疫結(jié)構(gòu)[2-3]。當前,去除空氣中顆粒物的主流方法之一是采用高效空氣微粒過濾(High Efficiency Particulate Air filter,HEPA)技術(shù)[4],濾網(wǎng)材料包括玻璃纖維、滌綸和丙綸等。通過成百上千個規(guī)則排列的褶皺,HEPA濾網(wǎng)對直徑為0.3μm以上的PM可以實現(xiàn)99.99%的過濾效率,缺點是使用6~12個月后需要及時更新濾網(wǎng)。盡管國內(nèi)外眾多學者對PM的過濾材料、凈化技術(shù)和效果等開展了大量研究,但較少關(guān)注到廢棄HEPA濾網(wǎng)的潛在環(huán)境污染問題。

        本文針對以上問題,以空氣凈化裝置中常用的HEPA濾網(wǎng)為研究對象,利用不同水化學溶液(純水、地下水和雨水)對未使用的和廢棄的HEPA濾網(wǎng)進行浸泡,對比分析HEPA濾網(wǎng)在不同水化學環(huán)境中釋放的主要陰離子污染物及其特征,揭示廢棄HEPA濾網(wǎng)對水環(huán)境的潛在污染影響,從而為我國生態(tài)環(huán)境保護與水污染防治提供參考依據(jù)。

        1 實驗與方法

        將2.5 g未使用的HEPA濾網(wǎng)和廢棄濾網(wǎng)分別置于若干個250 mL血清瓶,分別加入250 mL純水、地下水和雨水溶液,反應1、3、5、7、10、60 d后采集溶液過0.45μm濾膜待測。每組設計2組平行實驗。實驗過程中常規(guī)陰離子含量利用離子色譜儀(ICS2100,戴安)測定。所有實驗和測試均在廣西區(qū)級重點實驗室:環(huán)境污染控制理論與技術(shù)實驗室完成。

        浸泡過程中單位質(zhì)量HEPA濾網(wǎng)對某種化學組分的釋放量或吸附量Q(mg/g或μg/g)采用下式計算,

        式中,C0為初始時刻溶液中某種化學成分的濃度,mg/L;Ct為浸泡t時刻溶液中某種化學成分的濃度,mg/L;V為浸泡溶液的總體積,L或mL;m為濾網(wǎng)的質(zhì)量,g。Q>0表示濾網(wǎng)釋放化學成分進入溶液中,且Q越大表示釋放量越大;Q<0表示溶液中化學成分被濾網(wǎng)吸附,Q越小,|Q|越大,表示吸附量越大。此外,2次平行實驗結(jié)果的平均值用表示。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 純水溶液浸泡條件下陰離子的釋放/吸附特征

        未使用的HEPA濾網(wǎng)和廢棄濾網(wǎng)在純水溶液浸泡過程中不同陰離子的濃度變化結(jié)果如圖1(a)所示,反應過程中最大平均釋放/吸附量數(shù)據(jù)見表1。

        圖1 HEPA濾網(wǎng)在不同溶液浸泡下陰離子釋放量隨時間的變化曲線(■未使用的;●廢棄的)

        從圖中發(fā)現(xiàn):純水溶液浸泡條件下,未使用的HEPA濾網(wǎng)和廢棄濾網(wǎng)均能釋放陰離子F-,Cl-,NO3-和SO42-。隨著時間的增加,F(xiàn)-,Cl-,NO3-和SO42-的釋放量均呈現(xiàn)先顯著增加后略減少,再逐漸增加的趨勢。整個反應過程中,廢棄濾網(wǎng)比未使用的濾網(wǎng)釋放陰離子的量更多,前者F-,Cl-,NO3-和SO42-的分別為0.031 1 mg/g,0.338 7 mg/g,1.212 0 mg/g和6.695 3 mg/g,后者分別僅為0.017 3 mg/g,0.210 1 mg/g,0.676 5 mg/g和1.558 4 mg/g,見表1。

        2.2 地下水溶液浸泡條件下陰離子的釋放/吸附特征

        未使用的HEPA濾網(wǎng)和廢棄濾網(wǎng)在地下水溶液浸泡條件下不同陰離子的濃度變化結(jié)果如圖1(b)和表1所示。從中可以發(fā)現(xiàn):未使用的濾網(wǎng)釋放少量的Cl-,NO3-和SO42-,但反應初期(0~7 d)會從溶液中吸附少量的F-。廢棄濾網(wǎng)則向溶液中一直釋放F-,Cl-,NO3-和SO42-,且隨著時間的增加,F(xiàn)-的釋放量呈現(xiàn)出先顯著增加(0~3 d)后略降低再逐漸增加(>5 d)的趨勢,Cl-和SO42-的釋放量呈現(xiàn)先顯著增加(0~5 d)后略減少至基本不變的趨勢,NO3-的釋放量先顯著增加(0~5 d)后基本趨于穩(wěn)定。整個反應過程中,廢棄濾網(wǎng)比未使用的濾網(wǎng)釋放陰離子的量更多,前者F-,Cl-,NO3-和SO42-的分別為0.034 8 mg/g,0.186 7 mg/g,0.853 0 mg/g和6.732 9 mg/g,后者分別僅為0.003 7 mg/g,0.119 3 mg/g,0.141 3 mg/g和0.850 1 mg/g。

        2.3 雨水溶液浸泡條件下陰離子的釋放/吸附特征

        未使用的HEPA濾網(wǎng)和廢棄濾網(wǎng)在雨水溶液浸泡條件下不同陰離子的濃度變化結(jié)果如圖1(c)和表1所示。從中可以發(fā)現(xiàn):雨水溶液浸泡條件下,未使用的濾網(wǎng)主要從溶液中吸附少量的F-,Cl-,NO3-和SO42-的(Q<0)。廢棄的濾網(wǎng)則主要向溶液中釋放陰離子,并且隨著時間的增加,F(xiàn)-,Cl-和SO42-的釋放量呈現(xiàn)出先顯著增加后略降低至基本不變的趨勢,NO3-的釋放量先顯著增加后趨于穩(wěn)定。廢棄濾網(wǎng)對F-,Cl-,NO3-和SO42-的分別為0.014 9 mg/g,0.058 9 mg/g,0.621 0 mg/g和5.827 2 mg/g,未使用的HEPA濾網(wǎng)對以上4種離子的最大平均吸附量分別為0.006 7 mg/g,0.087 8 mg/g,0.298 5 mg/g和0.370 0 mg/g。

        表1 不同溶液浸泡過程中HEPA濾網(wǎng)對陰離子的最大平均釋放/吸附量Q max 單位:mg/g

        整體上,未使用的濾網(wǎng)在純水溶液和地下水溶液浸泡過程中,均以釋放F-,Cl-,NO3-和SO42-為主,在雨水溶液中則以吸附陰離子為主。廢棄濾網(wǎng)在3種不同水化學溶液中陰離子的排序均為意味著是廢棄濾網(wǎng)對水環(huán)境產(chǎn)生潛在污染影響的主要成分。對于F-和SO42-的排序為:地下水>純水>雨水,對于Cl-和NO3-的排序為:純水>地下水>雨水,表明地下水和純水受廢棄濾網(wǎng)釋放陰離子的污染威脅更嚴重。

        3 結(jié)論

        本文以HEPA濾網(wǎng)為研究對象,設計室內(nèi)實驗,利用不同水化學溶液(純水、地下水和雨水)對未使用的和廢棄的濾網(wǎng)進行浸泡,查明浸泡過程中HEPA濾網(wǎng)釋放陰離子污染物的過程及特征,揭示其對水環(huán)境的潛在污染影響。研究發(fā)現(xiàn):廢棄濾網(wǎng)在純水、地下水和雨水溶液中均釋放F-,Cl-,NO3-和SO42-,其中釋放最多的陰離子成分為且地下水和純水更易受到廢棄濾網(wǎng)釋放陰離子的污染威脅。

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