Visual MINTEQ在水/土环境重金属形态研究中的应用与展望

以CNKI与Web of Science TM(WOS)核心合集中2002—2020年Visual MINTEQ(VM)为主题的文献作为数据来源,借助CiteSpace,从发文量、国家、机构、作者和研究热点等方面整理、归纳并评述VM在重金属形态研究中的运用热点及趋势.结果表明:1)发文量呈逐年波动增长趋势,中国的国际影响力最高,布-阿里大学、中国科学院、浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室等为主要中英文发文机构,Gustafsson J P被引频次最高,作者间以国内协作为主.2)VM在重金属形态研究中的使用热点主要在模拟不同环境因子对水/土环境介质中重金属形态影响和不同水/土环境介质中重金属矿物的沉淀或溶解,以及使用DLM、CD-MUSIC、NICA-Donnan等表面络合模型计算处理不同吸附行为.3)VM将来还可运用于沉积物中重金属迁移、生物体内重金属毒理性及大气中痕量金属络合等方面研究.

Visual MINTEQ软件在大学化学教学中的应用

介绍了水文地球化学软件Visual MINTEQ的基本功能和特点,并结合大学化学课程中化学平衡章节的教学内容,举例说明了该软件在缓冲溶液pH计算、酸碱滴定过程模拟、配合物分布曲线绘制以及沉淀溶解平衡预测等应用实例中的使用方法。Visual MINTEQ程序在大学化学课堂中的应用不仅丰富了教学形式,还加强了学生对相关理论知识的理解和掌握,从而为其创新实践能力及科学研究方法的培养奠定了良好的基础。

低温等离子体技术预处理对稠油废水蒸发结垢的影响及其Visual Minteq分析

稠油废水低成本蒸发回收是实现稠油开采的重要环节。蒸发过程中生成硅垢和碳酸盐会严重影响传热,为了抑制蒸发过程污垢的生成,采用低温等离子体(NTP)技术对稠油废水预处理后再蒸发,并对污垢进行分析检测。利用Visual Minteq软件模拟来自2个油田的稠油废水经NTP预处理后蒸发垢的组分。结果表明,经过NTP预处理,稠油废水的硬度、二氧化硅含量、金属离子含量和pH值均降低;蒸发过程中污垢热阻降低,污垢组分中硅垢减少,但主要组分未发生改变。Visual Minteq模拟结果与XRD分析所得污垢组分基本吻合,验证了NTP预处理阻垢机理,即NTP预处理降低了稠油废水中碳酸钙、镁和钙组成的双正离子碳酸盐以及硅和镁组成的盐的饱和指数。

茶叶浸泡液中微量元素形态的Visual MINTEQ软件模拟分析

利用火焰原子吸收光谱法测定茶叶浸泡液中常见的4种微量元素的含量,应用离子色谱法检测其中的F-、Cl-、NO2-、Br-、NO3-、PO43-、SO42-含量,结合Visual MINTEQ软件模拟茶叶浸泡液中Fe、Cu、Zn、Pb 4种微量元素的存在形态,表明Fe、Cu、Zn、Pb分别以Fe(OH)2+、Cu2+、Zn2+、Pb2+为优势态存在于茶叶浸泡液中。

Visual Minteq软件模拟研究硫酸铝鞣液中铝形态

运用Visual Minteq软件模拟研究了硫酸铝鞣液中铝的离子形态随p H变化,并考察了常用有机蒙囿剂甲酸盐、草酸盐、柠檬酸盐对鞣液中铝存在形态的影响。结果表明,在鞣制p H范围内,硫酸铝鞣液中30%左右的铝以带负电荷的络离子形态存在,多核铝络离子的比例较低(10%)。体系添加有机蒙囿剂可增加单核铝络离子的形态种类,改变体系铝形态的电荷分布,增加沉淀p H,并在p H升高时促进多核铝络离子的形成,其中甲酸效果最显著。

基于Visual-MINTEQ的铁铝钙盐除磷模拟研究

磷元素是造成水体富营养化的主要元素之一,也被认为是不可再生资源,无论从环保排放要求还是资源回收角度,对外排污水磷酸盐含量都有严苛要求。基于Visual-MINTEQ软件,系统模拟了FeCl_(2)、FeCl_(3)、AlCl_(3)、CaCl_(2)4种常用的化学除磷剂在不同pH、加药量下的除磷效果,结果表明FeCl_(3)、AlCl_(3)在偏酸性条件、FeCl_(2)在近中偏碱性条件、CaCl_(2)在碱性条件下除磷效果最佳;在最适p H条件下CaCl_(2)除磷效率最高而FeCl_(2)去除率最低,不同磷酸盐初始浓度去除率存在差异,模拟研究结果与已有的试验研究结果比较相符,可快速系统的为化学除磷过程提供一定技术指导。

高钙镁磷矿预处理的硝酸钙镁浸取液制备氢氧化镁的研究

通过煅烧高钙镁磷矿分解碳酸钙镁盐可有效提高磷矿品位。对煅烧后的磷矿进行水化、浸取得到低镁磷精矿和硝酸钙镁浸取液,对浸取液进一步沉淀以回收制备氢氧化镁。然而,在氢氧化镁生产过程中存在固液分离困难和产品纯度低的问题,系统研究了不同温度下湿滤饼的性质、比阻、沉降性能等。结果表明:较低温度下滤饼吸附水分大、过滤困难、洗涤负担大;当温度升高到70℃时,可有效破坏氢氧化镁胶体,从而减少滤饼对水分的吸附,减轻洗涤负担,显著改善氢氧化镁的沉降性能和过滤性能,沉降速率高达0.051 8 mL/min,过滤比阻低达(5.82±1.1)×10^(11) m/kg,镁的回收率可达72%。进一步对沉淀过程进行模拟分析,提出以分步沉淀方式实现杂质的预分离,从而提高氢氧化镁纯度,使其达到工业级氢氧化镁Ⅲ类合格品的要求。

渗滤液组合工艺处置过程污染物组分迁移变化特性

针对采用间歇式活性污泥反应器(SBR)、混凝(C-F)、芬顿氧化(Fenton)和曝气生物滤池(BAF)技术的生活垃圾填埋场渗滤液组合处置工艺系统,研究经过不同处置单元处理后,污染物迁移变化特性及对重金属Cu、Zn、Pb、Ni、Cr和Cd的稳定态组分、自由态组分和胶体组分等三种形态组分迁移分布特性。结果表明,经过处理,垃圾渗滤液处理体系总体色度、浊度(NTU)、悬浮物质(SS)、生化需氧量(BOD_(5))和化学需氧量(COD)总去除率达到了99%、99%、92%、99%和98%以上,其中活性污泥反应器工艺对金属的去除顺序由小到大顺序依次为Al<Ni<Cd<Pb-Mn<Cu<Cr<Zn,其中镉(Cd)和锌(Zn)的去除在芬顿工艺中的混凝(C-F)效果明显。此外,经污泥反应器处理后锌(Zn^(2+))和镍(Ni^(+))的自由离子态组分分别提高至35%和42%,末端曝气生物滤池(BAF)的出水中,除铜(Cu)和铅(Pb)外,其它重金属稳定组分比例升高。使用Visual MINTEQ平衡模型预测的结果显示了垃圾渗滤液中锌和镍的组分主要为碳酸盐类化合物(MHCO_(3)^(+))自由态的组分,经过处理生化处理后转变成了自由态离子(M^(z+))。本研究结果可为垃圾渗滤液处理体系设计优化提供参考。

磷酸铵镁法回收厌氧消化液中氨磷的模型研究及优化

基于磷酸铵镁(MAP)法回收厌氧消化液中氮磷的反应构建MAP-MINTEQ模型并优化。利用化学平衡模型Visual MINTEQ 3.1结合实验进行建模,取得拟合度较高的模型参数。首先,研究了碳酸盐对磷酸铵镁反应的影响,对比了两种活度系数方程中活度系数γ的影响因素和校正因子,扩展的德拜-休克尔方程更适用于本模型。其次,研究厌氧消化液中复杂缓冲体系对副产物MgCO_(3)沉淀溶解平衡的影响,利用其k_(sp)校正MAP-MINTEQ模型,优化其拟合结果。基于优化的模型,调整厌氧消化液氮磷回收的MAP实验配比,反应后残留的氨氮浓度最低降至41.2 mg·L^(-1),氮回收率达到98.0%;总磷最低降至5.5 mg·L^(-1),磷回收率达到99.2%,实现了氮磷的高效回收。

煤化工高盐废水分盐结晶残液中锌离子去除探索

以煤化工高盐废水分盐结晶残液为研究对象,开展高盐体系锌离子赋存状态模拟计算,得到锌的各种形式占比随pH、温度、NaCl盐质量浓度的变化趋势,并以Na2S为沉淀剂研究了搅拌速度、初始pH、Na_(2)S投加量等工艺条件对深度脱除锌离子的影响。结果表明,将高盐有机废水初始pH调节到中性或碱性有利于硫化沉淀法对锌离子的脱除,在反应温度25℃、反应时间20 min、搅拌速度300 r/min、初始pH=8.0、n(Zn^(2+))∶n(S^(2−))=1.0∶1.0时,残液满足废水排放标准。

氯和磷对土壤中水溶-可交换态铅的影响

在实验室培养条件下研究了氯离子（Cl^-）对含磷物质KH2PO4降低污染土壤中铅毒作用的影响.结果表明,在铅锌矿污染土壤中添加KH2PO4显著降低了土壤中铅（Pb）的水溶-可交换态含量,降低幅度为92.0%-95.1%,显著降低了铅的生物有效性.数据统计分析表明,KH2PO4用量在P/Pb摩尔比为0.6时已足够修复土壤的铅毒,并且在此磷添加量水平时,加氯与不加氯比较,显著降低了土壤中Pb的水溶-可交换态含量,说明了添加氯对含磷物质降低铅毒有促进作用.运用Visual MINTEQ模型模拟计算的结果表明,添加磷和氯处理土壤后,土壤中Pb的活度主要受P的控制,尤其是磷氯铅矿[pyromorphite,Pb5（PO4）3Cl]沉淀.在使用含磷物质修复铅污染土壤技术时,添加适量的氯,以达到最佳修复效果.

模型化研究pH对垃圾焚烧飞灰金属浸出的影响机制

浸出液pH是影响城市生活垃圾焚烧飞灰金属浸出的主要因素.通过比较pH变化浸出测试和Visual MINTEQ模拟结果,研究了浸出液pH对飞灰金属浸出特性的影响机制.结果发现,酸性条件下(Cd、Zn、Ni:pH<8;Pb、Cu、Cr:pH<6;Al:pH<4),金属会随pH降低而大量溶出;两性金属Pb和Zn,在强碱性条件时浸出浓度亦会增加,pH=12.5时可分别达42和2.4 mg.L-1.飞灰中金属的pH相关浸出行为可通过Visual MINTEQ模型很好地模拟.模拟计算结果表明,浸出液pH的变化会改变金属在浸出体系中的化学形态,从而影响金属的浸出浓度;不同pH下Pb、Zn、Cu、Ca和Al的化学形态和浸出行为主要由溶解/沉淀平衡决定,吸附作用对其影响不大;在酸性至中性pH条件下,飞灰中HFO会吸附Cd、Cr和Ni而降低其溶解度,但在碱性条件下这些重金属的浸出又转而由溶解/沉淀平衡控制.

鸟粪石法沉淀去除氨氮的平衡体系模拟预测

使用化学平衡软件Visual MINTEQ计算拟合鸟粪石(磷酸镁铵,MgNH4PO4·6H2O,MAP)沉淀去除氨氮的平衡体系在不同pH值条件下Mg2+、NH4+和PO34-各组分的变化及饱和指数(SI)的变化.实验和预测结果表明,模型对MAP沉淀平衡体系拟合良好.在本研究的pH值范围内(8.0—11.0),化学平衡模型VisualMINTEQ能预测敞开体系氨氮废水中通过磷酸铵镁沉淀去除的NH4+-N,但不能用来预测敞开体系中所有氨氮的去除,即预测结果中不包括由于氨气挥发而去除的氨氮.

电Fenton活化过硫酸盐降解甲基肼废水

伴随我国航天事业的迅猛发展,航天工业产生的甲基肼推进剂废水对环境的危害逐渐凸显。为提升甲基肼废水的去除效能,采用电Fenton激活过硫酸盐去除甲基肼废水。研究了Na_(2)S_(2)O_(8)与甲基肼摩尔比浓度、电流强度、初始pH、背景离子种类及初始甲基肼浓度对甲基肼降解效能的影响,结果表明,在Na_(2)S_(2)O_(8)与甲基肼摩尔比浓度为2.0、电流强度0.05 A、初始pH=5、NaCl背景下,甲基肼10 min内的降解率为96.4%。自由基捕获结果证明,·OH和·SO_(4)^(-)是电Fenton强化过硫酸盐去除甲基肼体系中的主导活性自由基。

模拟酸雨对沙柱中废弃线路板组成元素的影响

通过室内土柱淋溶实验,研究模拟酸雨对废弃线路板组成元素的影响,并分析了浸出液的组分特征和变化规律.结果表明,废弃线路板中组成元素(Cu、Pb、Zn、Ca、Mg和Cl)浸出浓度随酸雨pH值的降低而增大;其中Cu、Pb和Zn的浸出浓度随淋溶液体积的增大呈现先增加后降低的趋势;而Cl、Ca和Mg的浸出浓度在淋溶初期达到最大值,之后随着淋溶液体积的增大而减小;Cu和Pb的浸出浓度在平稳状态仍然远大于国家地表水Ⅲ类标准.使用Visual MINTEQ软件模拟浸出液中Cu、Pb和Zn3种元素的组分存在形态表明,Pb和Zn主要以Pb2+和Zn2+为优势态,Cu在pH<4.0时以Cu2+为主要存在形态,pH>4.0时,主要存在形态为CuSO4(aq).

某尾矿库尾矿渗水中铀的化学形态研究

运用环境水化学平衡软件Visual MINTEQ 3.1研究了某尾矿库尾矿渗水中铀的化学形态,并模拟在不同pH、F-浓度、U浓度等条件下铀化学形态的变化规律。结果表明:尾矿渗水中,铀主要以UO_2F^+和UO_2F_2(aq)形态存在;pH对铀的存在形态影响较大,F-和铀在较低浓度范围内对铀的化学形态影响不明显,但对其浓度影响较大。

铁铜微电解处理Cu^(2+)-EDTA溶液及其机理研究

电镀废水中常含有EDTA等络合剂,部分重金属呈现络合态,这给重金属的去除带来了极大的挑战.微电解法处理络合废水破络效果好,成本低廉.为此,采用铁铜微电解法处理EDTA络合铜溶液,通过微电解过程的金属离子变化及沉淀物红外光谱分析可知,在微电解过程中主要变化为铁屑溶解、Fe2+和Fe3+质量浓度升高、Cu^(2+)质量浓度降低,并伴随EDTA质量浓度略微下降和Fe(OH)3沉淀生成;采用MINTEQ软件模拟Cu^(2+)、Fe2+和Fe3+与EDTA的络合形态分布,发现加入Fe3+能使EDTA与Cu^(2+)解络,Fe3+与Cu^(2+)摩尔比越大,p H越低,解络效果越好;在碱性条件下加入Fe2+能使EDTA与铜解络.Fe2+与Cu^(2+)摩尔比越大,p H越高,解络效果越好.结合实验和模拟结果可以明确Fe3+在酸性条件下的解络作用和铁屑对游离态Cu^(2+)的还原作用是微电解去除Cu^(2+)-EDTA的主要原因.

基于人工降水入渗的热带海岛表面砂土层水质变化特征

珊瑚砂是热带海岛表层土的重要物质组成,开展大气降水入渗通过表面砂土层的水化学研究是正确认识和评估海岛地下水质的前提。本研究于2017年8月采集了我国热带海岛3种不同样地的典型表层砂土(编号D1、D2和D3),基于人工降雨模拟试验,分析了其基本理化参数变化特征。在此基础上,综合水化学相图、Visual MINTEQ水文地球化学模拟、碱基交换指数(IBE)计算和Gibbs图解等方法,揭示了渗流通过不同砂土层的水样化学变化特征及主要控制过程。结果表明:①表面砂土盐碱化程度高,入渗通过D1、D2和D3的水样pH范围分别为7.92~8.81、7.86~9.30和7.82~9.35,明显高于大气降水的均值6.0,其电导率分别从48.50、89.90、77.60 mS/cm降到了131.4、111.6、98.4μS/cm;②入渗通过D1、D2和D3的水样中许多微量元素浓度值随降雨淋洗会逐渐减小,其中Al、As、B(D1和D2)、Cr、Fe、Pb较难溶于水,应该引起重视;③D1、D2和D3储存的水中主要离子浓度大小为:Na^(+)>Mg^(2+)>Ca^(2+)>K^(+)和Cl^(–)>SO^(2–)_(4)>HCO^(–)_(3)>NO^(–)_(3)>CO^(2–)_(3)>Br^(–)>F–,其水化学类型随降雨淋洗均由Cl-Na水变为HCO_(3)^(-)Na·Ca·Mg水;④控制通过砂土层水样水质的水化学机制包括:碳酸盐、氯化物和硫酸盐矿物的溶解和沉淀,以及降水入渗过程中Na^(+)与K^(+)、Ca^(2+)与Mg^(2+)之间的交换作用。该研究对于指导热带海岛地下水资源的合理开发与利用,保障海岛居民用水安全及生态系统维护具有重要的科学意义。

城市生活垃圾焚烧炉渣中铅的溶出特性研究

利用浸出试验和Visual MINTEQ模型,对2种不同炉型的城市生活垃圾焚烧炉渣中铅的溶出特性进行了研究。结果表明,无论是炉排炉型生活垃圾焚烧炉渣还是流化床型生活垃圾焚烧炉渣,其铅的溶出行为均受pH的影响,并且受到PbMoO4溶解平衡的控制。

高含盐废水蒸发结垢趋势模拟估算

高含盐废水若未经处理就直接排放,会对水环境产生很大危害。蒸发结晶工艺是处理高盐废水的有效途径,但在蒸发过程中易产生污垢,影响废水处理效果。采用Visual Minteq软件模拟含盐废水蒸发过程中的结垢情况,通过SI值来初步判断水垢中的主要组分。