有序介孔碳负载纳米零价铁的制备及其去除水体中溴酸盐的性能研究

摘要

臭氧氧化等深度处理工艺在饮用水处理中得到越来越广泛地应用，但对于含溴的水源水经臭氧氧化后会产生具有致癌作用的副产物——溴酸盐，该物质被国际致癌研究机构定为2B级潜在致癌物，我国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)规定溴酸盐的限制为10μg/L，因此开展对饮用水中溴酸盐的去除研究非常迫切。有序介孔碳具有比表面积大、吸附性强、孔道高度有序、热稳定性高和耐水解性强等优点，其对溴酸盐有较强的吸附性，但未能将溴酸盐转化为无毒性物质;而纳米零价铁具有较高的反应活性，对溴酸盐具有良好的还原效果，但由于强还原性导致其自身易被氧化、颗粒易团聚，致使反应活性和迁移速率下降。针对以上问题，提出了构筑有序介孔碳负载纳米零价铁复合材料（纳米Fe0/OMC）的研究思路，既保证有序介孔碳的有效吸附性同时保持纳米铁的反应活性，从而达到高效去除溴酸盐的目的。
　　本文首先研究了以SBA-15为模板剂，蔗糖为碳前躯体，经硬模板路线成功制备出了介孔结构规整的有序介孔碳OMC-Z。再以OMC为载体，FeSO4·7H2O为金属源，采用液相还原法制备出了集介孔结构、纳米铁颗粒于一体的纳米Fe0/OMC复合材料。采用透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、N2吸附脱附、Zeta电位等手段对材料结构、物理化学特性进行表征;并详细考察了不同反应条件（如反应时间、投加量、初始溴酸根浓度、温度、pH值等）下OMC、纳米Fe0/OMC对水中溴酸根的吸附还原过程，初步探讨了反应机理。实验结果显示:
　　1、合成的OMC、纳米Fe0/OMC材料具有类似于SBA-15的有序介孔结构，OMC的比表面积为1061m2/g，负载后的纳米Fe0/OMC材料的比表面积为118m2/g，负载后孔容减小。
　　2、溴酸盐的去除率随OMC、纳米Fe0/OMC的投加量、反应时间的增加而增大。OMC吸附溴酸根的反应适宜于较宽的pH值范围(5.0～10.0)，负载后的材料适用于较低的pH值范围，碱性条件对去除不利。
　　3、热力学研究表明OMC对溴酸根的吸附过程是自发的放热过程，而温度对纳米Fe0/OMC去除溴酸根的效果影响不大。实验数据表明，负载纳米零价铁后的OMC材料在物理化学性质方面发生了改变。动力学研究表明，伪二级动力学模型可以很好的描述OMC、纳米Fe0/OMC对溴酸根的去除过程，线性相关系数分别为0.994、0.999;通过粒子内扩散动力学模型拟合发现，OMC、纳米Fe0/OMC去除溴酸根的过程中同时受粒子内扩散推动力的影响。
　　4、OMC与溴酸根的反应是单纯的物理吸附过程，在这过程中溴酸根的价态未发生改变;而纳米Fe0/OMC对溴酸根的反应既存在还原过程，也伴随有吸附过程，其中还原作用占主导。