纳米零价铁处理水中含氯有机物和铅的研究

摘要

随着社会生产的飞速发展，地下水资源受到了城市垃圾、工业三废、农业生产、采矿冶炼等多种因素的污染。我国是一个干旱缺水严重的国家，地下水占我国水资源总量的31％左右，因此如何做好地下水资源污染整治工作受到了社会的广泛关注。
　　自上世纪90年代末，纳米零价铁由于其减少地下污染物如多氯联苯、氯化溶剂和重金属的潜力被研究用于地下水修复。纳米零价铁由于其高活性在环境方面显示出巨大的前景，并进行了大量的实验室和现场研究来评估其有效性。但是，纳米零价铁裸露在空气当中容易发生自燃，即使与空气缓慢接触也容易发生氧化，使表面生成氧化物或氢氧化物而降低反应活性，这些问题都影响着纳米零价铁在实际中的应用。针对以上问题，本研究以对环境友好的高岭土（Kaolin）、膨润土(Bentonite)、沸石(Zeolite)、羧甲基纤维素钠（CMC）、琼脂(Agar)和淀粉(Starch)为包裹剂制备了包裹型纳米零价铁材料及紫叶小檗树叶提取液绿色合成了纳米零价铁，并通过X射线粉末衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、傅立叶红外光谱仪（FTIR）等对所制得的样品进行表征；考察了其对三氯甲烷(Trichloromethane，TCM)、四氯化碳（Carbon Tetrachloride，CTC）及混合废水Pb2+-TCM的还原去除能力。
　　论文的主要研究结论有：
　　1.以环境友好型的 Kaolin、Bentonite和 Zeolite为表面修饰材料，制备矿物包裹型纳米零价铁。矿物包裹型纳米零价铁去除三氯甲烷（TCM）的批实验结果表明：影响TCM去除效果的主要因素有矿物包裹型纳米零价铁的用量，TCM的初始浓度和pH值。初始浓度较低，矿物包裹型纳米零价铁的用量较大时有利于TCM的去除。在模拟 TCM浓度为10mg/L，Kaolin-nZVI、Bentonite-nZVI和Zeolite-nZVI的投加量为1.5g/L，pH为5，反应2h脱氯效果较好，TCM的脱氯率分别为73.1%、70.9%和74.4%。
　　2.以廉价环保的Agar、CMC和Starch为表面修饰剂，制备包裹型纳米零价铁。包裹型纳米零价铁去除三氯甲烷（TCM）的柱实验结果表明：影响TCM去除效果的主要因素有 Agar-nZVI、CMC-nZVI、Starch-nZVI的投加量、TCM初始浓度和水的流量。在投加量充足的情况下，TCM去除效率不受废水浓度影响。在模拟 TCM废水浓度为0.1mg/L，Agar-nZVI、CMC-nZVI、Starch-nZVI、nZVI投加量为0.04g/L，流量为5mL/min，反应1h时靠近出水口的取样口去除效果最好，去除率分别为99.21%、98.13%和97.6%。包裹型纳米零价铁还原降解TCM的体系符合准一级反应动力学，反应速率随着TCM初始浓度的升高而降低的幅度较大，随着包裹型纳米零价铁的投加量增加而升高的幅度较小。
　　3.CMC包裹纳米零价铁降解三氯甲烷（TCM）和铅的正交实验的主要影响因素有：CMC包裹型纳米零价铁的用量、TCM和铅的初始浓度、反应时间和初始pH值。实验结果表明：较高的CMC包裹纳米零价铁的投加量和较低的初始TCM和铅浓度有利于降解还原效果；在TCM浓度为0.4mg/L，Pb2+浓度为40mg/L， pH值为5.0，CMC-nZVI投加量分别为1mg/L，反应3h去除效果较好，TCM和Pb2+去除率分别为96.5%和92.0%，总去除率为94.3%。
　　4.紫叶小檗树叶提取液绿色合成的纳米零价铁处理TCM实验的主要影响因素有：TCM初始浓度、pH值和初始pH值。实验结果表明：紫叶小檗树叶提取液制备的纳米零价铁具有较好的分散性，平均粒径约为20-50nm。绿色合成的纳米零价铁对水中CTC的具有较好的去除效果。影响绿色合成的纳米零价铁对CTC去除效果的影响因素有CTC初始浓度，pH值，和绿色合成纳米零价铁的投加量。当CTC初始浓度为4mg/L，pH值为6.0，绿色合成纳米零价铁投加量为0.14g/L，反应90min时，去除效果较好，CTC去除率为99.8%。

目录

声明

1 引 言

2 文献综述

2.1 地下水污染现状

2.2 重金属废水的治理方法

2.3 脱氯技术国内外研究现状

2.4 纳米零价铁应用于水污染修复

2.5 本课题的研究目的意义及主要研究内容

3 矿物包裹纳米零价铁处理水中三氯甲烷的研究

3.1 纳米零价铁的制备及表征

3.2 三氯甲烷处理试验

3.3 K-Fe0对水中CHCl3的去除效果

3.4 B-Fe0对水中CHCl3的去除效果

3.5 Z-Fe0对水中CHCl3 的去除效果

3.6 Fe0对水中CHCl3的去除效果

3.7 包裹型纳米零价铁脱氯机理分析

3.8 本章小结

4 包裹纳米零价铁降解地下水中三氯甲烷试验

4.1 纳米零价铁的制备和表征

4.2 TCM降解柱实验

4.3 CMC-nZVI对水中TCM的去除效果

4.4 Agar-nZVI对水中TCM的去除效果

4.5 Starch-nZVI对水中TCM的去除效果

4.6 nZVI对水中TCM的去除效果

4.7 反应机理

4.8 本章小结

5 CMC包裹纳米零价铁处理水中三氯甲烷和铅正交试验

5.1 仪器与药品

5.2 TCM和铅降解正交试验方法

5.3 处理结果与分析

5.4 最优条件下对三氯甲烷和铅的降解试验

5.5 三氯甲烷和铅的降解机理分析

5.6 本章小结

6 绿色合成纳米零价铁去除水中四氯化碳

6.1 纳米零价铁的绿色合成及表征

6.2 CTC降解试验

6.3 纳米零价铁绿色合成的正交试验

6.4 紫叶小檗树叶提取液绿色合成纳米零价铁对地下水中CTC的去除效果

6.5 反应动力学

6.6 反应机理

6.7 本章小结

7 结论与创新

7.1 结论

7.2 本文创新之处

8 问题与不足

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间科研成果