Fe-Si-B非晶合金去除水中Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的性能研究

摘要

近几年，铁基非晶合金被发现能够快速降解偶氮染料废水，其去除速率高出传统晶态铁粉几十甚至几百倍，是一种兼具高活性、高稳定性的新型零价铁材料。理论上铁基非晶合金也可用于治理重金属废水，但就我们了解还未有相关研究报道。本论文选取电极电位远大于Fe（E0（Fe2+/Fe0）=-0.44V）的Cu（E0（Cu2+/Cu0）=+0.34V）和电极电位略大于Fe的Ni（E0（Ni2+/Ni0）=-0.23V）为重金属污染物，主要研究了Fe78Si9B13非晶合金条带对水中Cu（Ⅱ）的去除性能以及Fe78Si8B14非晶合金粉末对水中Ni（Ⅱ）的去除性能，对促进铁基非晶合金治理工业重金属污水的应用具有重要意义。 通过研究Fe78Si9B13非晶合金条带去除水中Cu（Ⅱ）的性能，发现Fe78Si9B13非晶合金条带去除水中Cu（Ⅱ）的途径与晶态铁保持一致，主要通过氧化还原反应将水中的Cu（Ⅱ）还原成不具有流动性的Cu0和Cu2O，相同条件下的表面积约化反应速率系数是同成分晶态合金条带和300目铁粉的2.6倍和39倍。优异的去除性能与其独特的非晶态结构以及类金属元素的添加有关，处于亚稳态的非晶态结构提供给Fe78Si9B13非晶合金条带中的铁原子更高的化学反应活性，而类金属元素的添加能够促进Fe78Si9B13非晶合金条带表面产物层脱落。同时，Fe78Si9B13非晶合金条带具有较强的环境适应性，在本文所研究的环境条件下，Fe78Si9B13非晶合金条带在60min内对水中的Cu（Ⅱ）均能彻底的去除。重复性实验显示，条带在高浓度的含Cu（Ⅱ）废水中不会失去活性，剩余条带可重复使用直至消耗尽，在低浓度的含Cu（Ⅱ）废水中使用5次后仍保持50.7%的去除率。 通过研究Fe78Si8B14非晶合金粉末去除水中Ni（Ⅱ）的性能，Fe78Si9B13非晶合金粉末主要通过还原和吸附的方式固定水中的Ni（Ⅱ），去除过程符合伪一级动力学反应模型。Fe78Si8B14非晶合金粉末的亚稳态的非晶结构使得Fe78Si8B14非晶合金粉末具有更高的化学活性，粉末表面富集的类金属氧化物可以保护基体的高活性表面在大气中不被钝化。相同条件下，Fe78Si8B14非晶合金粉末对水中Ni（Ⅱ）的去除速率是300目铁粉的20倍，反应过程中粉末表面在被铁氧体完全覆盖时，会失去对Ni（Ⅱ）的还原作用，但仍可通过吸附的方式去除水中的Ni（Ⅱ）。环境因素对Fe78Si9B13非晶合金粉末的去除性能影响较大，升高温度，弱酸性和碱性环境均可显著提高粉末的去除性能。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 铁基非晶合金概述

1.1.1 铁基非晶合金的发展历程

1.1.2 铁基非晶合金的性能

1.1.3 铁基非晶合金的应用

1.2 重金属污染治理概述

1.2.1 化学法

1.2.1 物理法

1.2.3 生物法

1.2.3 膜分离技术

1.3 零价铁去除水中重金属概述

1.3.1 零价铁对重金属的去除机理

1.3.2 零价铁的改性研究

1.4.1 研究目的和研究意义

1.4.2 研究内容

第二章 试验方法及试验设备

2.1 试验总体方案

2.2 非晶条带的制备

2.2.1 母合金熔炼

2.2.2 非晶条带的甩制

2.3 试样的表征

2.3.1 X射线衍射（ XRD）分析

2.3.2 差示扫描量热法（DSC）分析

2.3.3 X射线扫描电镜（SEM）分析

2.3.4 X射线光电子能谱（XPS）分析

2.3.5 比表面积测试（ BET ）

2.4.1 去除实验

2.4.2 原子吸收光谱法

2.4.3 电化学测定

2.5 本章小结

第三章 Fe-Si-B非晶合金条带去除水中Cu（Ⅱ）的性能研究

3.1 引言

3.2 Fe-Si-B非晶合金条带的制备及结构表征

3.3 Fe-Si-B非晶条带去除水中Cu（Ⅱ）的性能

3.3 Fe-Si-B非晶条带去除水中Cu（Ⅱ）的机理分析

3.3.1 反应产物分析

3.3.2 反应激活能

3.3.3 表面形貌及表面成分分析

3.4 环境因素对Fe-Si-B非晶合金条带去除性能的影响

3.4.1 溶液初始pH值的影响

3.4.2 Cu（Ⅱ）起始浓度的影响

3.4.3 条带用量的影响

3.4.4 总结

3.5 Fe-Si-B非晶合金条带的重复使用性能研究

3.6 本章小结

第四章 Fe-Si-B非晶合金粉末去除水中Ni（Ⅱ）的性能研究

4.1 引言

4.2 Fe-Si-B非晶合金粉末的结构分析

4.2.1 基体结构分析

4.2.2 表面结构分析

4.3 Fe-Si-B非晶粉末去除水中Ni（Ⅱ）的性能研究

4.4 Fe-Si-B非晶粉末去除水中Ni（Ⅱ）的机理研究

4.4.1 反应产物分析

4.4.2 表面形貌及组分分析

4.4.3 电化学分析

4.4 环境因素对Fe-Si-B非晶合金粉末去除性能的影响

4.4.1 温度的影响

4.4.2 溶液初始pH值的影响

4.4.3 污染物起始浓度的影响

4.4.4 粉末投加量的影响

4.5 本章小结

结论

参考文献

致谢

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