磁性纳米复合材料的制备及其在部分重金属污染修复中的应用

摘要

近年来，磁性纳米材料因其优越的反应活性而备受关注，其在重金属污染治理与修复中亦具有广阔的应用前景。本文通过制备不同类型的磁性纳米复合材料，并对其结构进行表征;同时，分别以重金属元素铅(Pb)、镉(Cd)及铬(Cr)为研究对象，探讨目标污染物在体系中去除的动力学过程及外界影响因素。
　　1、采用水热法与液相还原法制备相对稳定的NZVI@CM(NZVI@C/Fe3O4)复合材料，通过透射电子显微镜(TEM)、X-射线衍射光谱(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)及热重分析(TG)等手段对磁性复合材料进行了表征，并将磁性复合材料NZVI@CM应用于去除水溶液中的重金属铅元素，结果表明:
　　(1)所合成的Fe3O4颗粒为球形粒子，粒径约为150nm左右，复合材料中Fe3O4表面包覆了一层碳膜，而NZVI均匀地分散在CM(C/Fe3O4)的表面;
　　(2)与CM及NZVI相比，NZVI@CM复合材料能快速、有效地去除体系中的重金属铅元素，当pH为7、NZVI@CM复合材料的用量为60 mg时铅元素的去除效率达99.7％;
　　(3)体系中NO3-与Cl-的存在不利于重金属元素的去除;
　　(4)重金属铅元素的去除符合二级反应动力学。
　　2、采用氧化法与液相还原法制备纳米零价铁/氧化石墨烯(NZVI/GO)磁性复合材料，通过TEM、XRD、FT-IR、TG及Raman等方法对纳米材料的结构进行表征，并将NZVI/GO磁性复合材料应用于水溶液中重金属镉元素的去除，同时对反应时间、复合材料中各组分的质量分数、复合材料投加量、pH、温度以及盐度等因素对镉元素去除效率的影响进行了探讨。实验结果表明:
　　(1)所制备的复合材料中GO为片层结构，NZVI颗粒直径为25～50 nm左右:
　　(2) GO本身对Cd(Ⅱ)基本没有吸附，GO与NZVI的质量比为1∶3时材料具有最高的反应活性，此时体系中重金属镉元素的去除率高于98％;
　　(3)体系中盐度的增加将使重金属镉元素的去除效率略有下降。
　　3、采用共沉淀法与溶胶-凝胶法制备C16/Fe3O4@SiO2磁性复合材料，通过TEM、XRD、FT-IR及TG等方法对所合成材料进行结构表征，并将其应用于溶液中Cr(Ⅲ)及Cr(Ⅵ)元素的去除，考察了pH、吡咯烷二硫代甲酸胺盐(APDC)浓度、磁性复合材料投加量、共存离子、洗脱剂种类等因素对Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的去除效率的影响。实验结果表明:
　　(1)所制备的Fe3O4微粒呈球型，其粒径约为20 nm且分散均匀，复合材料中SiO2和C16成功修饰在Fe3O4颗粒表面;
　　(2)体系中APDC的添加对重金属元素Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的去除具有明显的影响，当pH为9.0、APDC浓度为3.125 mmol·L-1时，Cr(Ⅲ)的去除率可达94.8％，而Cr(Ⅵ)在pH为2.0、APDC浓度为12.5 mmol·L-1时，去除效率可达99.7％;
　　(3)实验条件下，该方法对Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的去除具有较好的选择性，体系中Pb2+、Cd2+和Cu2+等重金属离子的存在对目标污染物的去除未产生影响;
　　(4) HNO3对吸附在材料表面的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)金属络合物的洗脱效果最佳，其回收率均可达90％以上;
　　(5)磁性复合材料C16/Fe3O4@SiO2具有良好的稳定性和耐用性，再生后可进行循环使用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 重金属污染物

1．1．1 重金属污染物的来源

1．1．2 重金属的危害

1．1．3 重金属污染现状

1．2 重金属污水的处理方法

1．2．1 物理化学法

1．2．2 化学法

1．2．3 生物法

1．3 磁性纳米材科及其应用

1．3．1 纳米零价铁的合成及其改性

1．3．2 四氧化三铁的制备及其改性

1．4 本课题研究内容

第2章 NZVI@C／Fe3O4磁性复合材料的制备及其在铅污染治理中的应用

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 实验试剂与仪器

2．2．2 实验方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 Fe3O4、CM及NZVI@CM的表征

2．3．2 CM、NZVI与NZW@CM三种不同材料对重金属铅元素的去除效果

2．3．3 NZVI@CM复合材料投加量对去除效率的影响

2．3．4 pH对铅去除效率的影响

2．3．5 NO3-与Cl-对铅去除效率的影响

2．3．6 反应动力学研究

2．4 小结

第3章 NZVI／GO磁性复合材料的制备及其在重金属镉污染治理中的应用

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 实验试剂与仪器

3．2．2 试验方法

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 GO及NZVI／GO的表征

3．3．2 复合材料掺杂比对处理效果的影响

3．3．3 NZVI／GO复合材料投加量对Cd(Ⅱ)去除率的影响

3．3．4 溶液中污染物初始浓度的影响

3．3．5 pH对Cd(Ⅱ)去除效率的影响

3．3．6 温度对Cd(Ⅱ)去除效率的影响

3．3．7 盐度对Cd(Ⅱ)去除效率的影响

3．4 小结

第4章 磁载C16／Fe3O4@SiO2复合材料的制备及其在铬污染处理中的应用

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 实验试剂与仪器

4．2．2 实验方法

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 Fe3O4和C16／Fe3O4@SiO2的表征

4．3．2 pH对Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的去除能力的影响

4．3．3 APDC的浓度对Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的去除效率的影响

4．3．4 磁性复合材料投加量对Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的去除效率的影响

4．3．5 共存离子对Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)去除效率的影响

4．3．6 溶剂种类对Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)洗脱效果的影响

4．3．7 磁性复合材料C16／Fe3O4@SiO2的重复使用性

4．4 小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

在读期间已发表和待发表的学术论文

致谢