机械球磨制备Fe0/ZSM-5复合材料及其对铅的去处研究

摘要

重金属具有持久性、生物富集性以及潜在危害性，对环境和人类健康造成严重的危害。其中，铅及其它的化合物是不可降解、性质比较稳定的一种有毒污染物。美国环保署(EPA)规定饮用水中铅的含量应低于10-15 ug/L。我国在《生活饮用水卫生标准》规定铅含量限值为0.01ug/L。零价铁现已被广泛应用于污染水体处理和生态环境修复。但是，零价铁因其易氧化、易团聚以及不稳定性制约着其本身的实际应用价值。本研究采用机械球磨法将零价铁(Fe0)颗粒负载到疏水性、高硅比的ZSM-5分子筛上，制备粉体和片状Fe0/ZSM-5复合材料，并利用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)分析和比表面积(BET)等对其进行表征;考察两种复合材料对水中的Pb2+以及模拟电镀废水中的Cr6+、Cu2+、Cd2+、Pb2+等混合重金属的去除性能。
　　本研究主要内容包括：⑴以疏水性、高硅比ZSM-5分子筛为助磨剂和分散剂，利用机械球磨法制备出粉体Fe0/ZSM-5复合材料和片状Fe0/ZSM-5复合材料。表征结果表明:由XRD和SEM分析可知:制备出的两种Fe0/ZSM-5复合材料均含有α-Fe0(110)晶面，且由于ZSM-5分子筛的作用，使零价铁分散的很均匀。由BET分析可知:Fe0和Fe0/ZSM-5复合材料的比表面积分别为7.18 m2/g和219.36 m2/g，表明复合材料大大增加了Fe0的比表面积，有效改善了Fe0易团聚的问题，提高了Fe0的反应活性。⑵粉体Fe0/ZSM-5复合材料和片状Fe0/ZSM-5复合材料对Pb2+的去除均有很好的效果。在30℃，初始Pb2+浓度为1～100 mg/L，pH值为3.0，粉体和片状Fe0/ZSM-5复合材料投加量均为2g/L，反应时间分别为120 min和240 min条件下,Pb2+的最大去除率和最高吸附量分别为78.05％、10.20 mg/g和76.43％和42.80 mg/g。在30℃，Pb2+初始浓度为5 mg/L，pH值为3.0～7.0，粉体Fe0/ZSM-5和片状Fe0/ZSM-5复合材料投加量均为2g/L，反应时间分别为180 min和360 min条件下，Pb2+的最大去除率和最高吸附量分别为72.35％和36.61％。⑶粉体Fe0/ZSM-5复合材料和片状Fe0/ZSM-5复合材料能够快速去除模拟电镀废水中的重金属。粉体Fe0/ZSM-5复合材料去除Pb2+、Cr6+、CrT、Cd2+和Cu2+的速率快慢顺序为Pb2+＞ Cr6+≈CrT＞ Cd2+＞ Cu2+。片状Fe0/ZSM-5复合材料去除Pb2+、Cr6+、CrT、Cd2+和Cu2+的速率快慢顺序为Pb2+＞ Cr6+≈CrT＞ Cd2+≈Cu2+。重金属离子存在时，对粉体Fe0/ZSM-5复合材料和片状Fe0/ZSM-5复合材料去除Pb2+的速率并没有明显影响。⑷等温吸附模型研究表明:粉体和片状Fe0/ZSM-5复合材料对Pb2+的去除过程分别符合Langmuir和Freundlich等温吸附模型。吸附动力学研究表明:粉体和片状Fe0/ZSM-5复合材料对Pb2+的去除过程分别可用准二级反应动力学和准一级反应动力学模型来描述。⑸对Fe0/ZSM-5复合材料去除Pb2+的机理进行了分析。由X射线光电子能谱(XPS)分析可知:Pb2+被转化生成了Pb0、PbO以及Pb(OH)2等以固相沉淀物形式吸附在球磨Fe0/ZSM-5复合材料表面。Fe0/ZSM-5复合材料对水中Pb2+的去除主要靠吸附作用、氧化还原反应和共沉淀作用。反应过程中释放出Fe2+会加速Fe0表面的给电子过程，增加其表面活性位点，进而进一步提升对Pb2+的还原。反应过程中零价铁被不断腐蚀氧化，在表面生成的铁氧化物[Fe(OH)]+、[Fe(OH)3]-、[Fe(OH)4]2-、Fe(OH)2和Fe(OH)3具有一定的吸附性。同时，随着反应的进行，溶液的pH值不断上升，溶液中的Pb2+被吸附到铁氧化物的表面形成沉淀物而沉淀下来使Pb2+去除率进一步得到提高。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 重金属污染与处理技术

1．1．1 我国重金属污染现状

1．1．2 重金属铅的处理技术

1．2 零价铁还原转化机理

1．2．1 零价铁性质

1．2．2 零价铁化学腐蚀

1．2．3 零价铁技术的局限性

1．3 改善零价铁技术局限性的对策

1．4 零价铁对重金属修复的应用

1．5 课题的研究意义与内容

1．5．1 课题的研究目的及意义

1．5．2 课题的主要研究内容

第二章 实验材料及方法

2．1 实验试剂与仪器

2．1．1 主要的实验试剂

2．1．2 主要仪器

2．2 球磨Fe0／ZSM-5复合材料的制备

2．2．2 片状Fe0／ZSM-5复合材料的制备

2．3 材料表征

2．3．1 X射线衍射仪(XRD)分析

2．3．2 场发射扫描电镜(SEM)分析

2．3．3 能谱(EDS)分析

2．3．4 比表面积(BET)分析

2．4 分析测试方法

2．5 去除实验

第三章 粉体Fe0／ZSM-5复合材料对铅的去除性能研究

3．2．1 不同材料对铅去除效果的影响

3．2．2 不同浓度对铅去除效果的影响

3．2．3 不同pH值对铅去除效果的影响

3．3 反应中Fe2+的释放量及pH值的变化

3．3．1 不同初始Pb2+浓度反应中Fe2+的释放量及pH值的变化

3．3．2 不同pH值反应中Fe2+的释放量及pH值的变化

3．4 吸附等温线研究

3．5 吸附动力学研究

3．6 本章小结

第四章 片状Fe0／ZSM-5复合材料对铅的去除性能研究

4．2．1 不同浓度对铅去除效果的影响

4．2．2 不同pH对铅去除效果的影响

4．3 反应中Fe2+的释放量及pH值的变化

4．3．1 不同初始Pb2+浓度反应中Fe2+的释放量及pH值的变化

4．3．2 不同pH值反应中Fe2+的释放量及pH值的变化

4．4 吸附等温线研究

4．5 吸附动力学研究

4．6 X射线光电子能谱(XPS)分析

4．7 去除机理探讨

4．8 本章小结

第五章 球磨Fe0／ZSM-5复合材料去除模拟电镀废水的性能研究

5．2 片状Fe0／ZSM-5复合材料对模拟电镀废水的去除效果

5．3 本章小结

第六章 结论与建议

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 建议

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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