果胶负载纳米零价铁去除水中六价铬的研究

摘要

近年来，随着含铬工业的发展，含铬废水的污染问题日益严重。采用纳米零价铁(Fe0)颗粒还原去除水体中六价铬(Cr(Ⅵ))的技术受到越来越广泛的关注和研究。纳米零价铁具有比表面积大、还原性强的优点，由此却又导致其易氧化、容易团聚从而使得反应活性降低。研究发现，在制备纳米零价铁颗粒的过程中加入稳定剂可以有效阻止纳米零价铁颗粒之间的团聚，提高纳米零价铁去除Cr(Ⅵ)的反应效率。
　　本文研究了以果胶作为稳定剂，负载于纳米零价铁颗粒表面，去除水中六价铬的反应机理和运行条件。通过XRD和TEM表征验证了果胶作为纳米零价铁稳定剂的可行性。并采用动力学模型对果胶负载纳米零价铁颗粒去除Cr(Ⅵ)的效果进行了拟合。
　　实验结果表明:
　　(1)由于纳米零价铁还原去除水中Cr(Ⅵ)时，二者的反应主要发生在纳米零价铁颗粒的表面，因而纳米零价铁颗粒的粒径越小，比表面积越大，纳米零价铁与Cr(Ⅵ)的接触机会则越大，从而越有利于对Cr(Ⅵ)的去除。当制备过程中加入负载剂果胶后，会使纳米零价铁颗粒之间的空间位阻效应及静电斥力增强，分散效果更好，颗粒之间团聚困难。除此之外，当利用制得的颗粒处理六价铬时，果胶的存在还可以有效阻止纳米零价铁颗粒与溶液中其它物质，如溶解氧和水的反应，保持纳米零价铁的高还原性，提高去除率。研究发现在此实验条件下，最适宜的果胶:Fe0=5∶1。
　　(2)果胶-Fe0颗粒对Cr(Ⅵ)还原去除率的影响因素主要有:果胶投加量、果胶负载后的纳米零价铁投加量、Cr(Ⅵ)的初始浓度、溶液初始pH值、实验反应温度以及Ca2+离子浓度。实验表明，Cr(Ⅵ)的去除率随果胶负载纳米零价铁投加量和温度的增加而升高，随Cr(Ⅵ)溶液初始浓度、pH和Ca2+离子浓度升高而降低。在20mg/L的Cr(Ⅵ)溶液中加入0.12g/L的果胶负载后的纳米零价铁，初始pH为5.5，振荡速度为200rpm，温度为25℃的条件下，经过60min振荡反应后Cr(Ⅵ)的去除率为98.3％。
　　(3)果胶-Fe0体系还原去除Cr(Ⅵ)反应符合拟一级反应动力学模型。表观速率常数kobs与果胶-Fe0投加量成指数递增的关系，与初始pH成指数递减的关系。随着果胶负载后的纳米零价铁投加量的增加、反应温度的升高，反应速率逐渐增大;随着溶液中Cr(Ⅵ)初始浓度的增加、pH值的升高，反应速率逐渐降低。在本实验条件下，通过阿累尼乌斯方程计算可求得表观活化能和指前因子，分别为E=29.7KJ/mol，k0=1991.6min-1。
　　(4)纳米零价铁还原去除Cr(Ⅵ)可能的反应机理包括2个方面:Fe0能够通过电化学腐蚀产生的H原子和Fe(Ⅱ)。一方面，Fe0和Fe(Ⅱ)与Cr(Ⅵ)直接发生还原反应;另一方面，H原子也可以和Cr(Ⅵ)发生氧化还原反应。产物分别为Cr(Ⅲ)和Fe(Ⅲ)，Cr(Ⅲ)和Fe(Ⅲ)生成沉淀而使Cr(Ⅵ)得以去除。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 研究课题的提出及意义

1．1．1 六价铬的来源与危害

1．1．2 含Cr(Ⅵ)废水的处理方法

1．1．3 课题的提出及意义

1．2 研究的目的及内容

1．2．1 研究目的

1．2．2 研究内容

第二章 绪论

2．1 纳米零价铁还原去除水中污染物技术

2．1．1 纳米零价铁处理无机污染物的研究

2．1．2 纳米零价铁处理有机污染物的研究

2．1．3 纳米零价铁应用于水处理研究的技术改进

2．1．4 纳米零价铁与其它技术的联用

2．2 果胶的结构性质

2．2．1 果胶的结构

2．2．2 果胶的理化性质

2．2．3 果胶的提取

2．3．4 果胶的功能与应用

2．3 果胶负载纳米零价铁的研究意义

第三章 实验部分

3．1 实验仪器、试剂及方法

3．1．1 实验仪器

3．1．2 实验试剂

3．1．3 实验方法

3．2 实验内容

3．2．1 果胶负载纳米零价铁的制备

3．2．2 果胶负载纳米零价铁的实验步骤

3．3 实验表征方法

第四章 果胶负载纳米零价铁去除Cr(Ⅵ)的影响因子研究

4．1 水体中Cr(Ⅵ)的还原去除

4．2 果胶投加量对Cr(Ⅵ)去除效果的影响

4．3 果胶负载纳米零价铁投加量对Cr(Ⅵ)去除效果的影晌

4．4 不同初始Cr(Ⅵ)浓度条件对Cr(Ⅵ)去除效果的影响

4．5 水中pH值对Cr(Ⅵ)去除效果的影响

4．6 反应温度对Cr(Ⅵ)去除效果的影响

4．7 投加Ca2+离子对Cr(Ⅵ)去除效果的影响

4．8 本章小结

第五章 果胶负载纳米零价铁去除Cr(Ⅵ)的动力学模型

5．1 表观速率常数与果胶投加量的关系

5．2 表观速率常数与果胶负载纳米零价铁投加量的关系

5．3 表观速率常数与初始Cr(Ⅵ)浓度的关系

5．4 表观速率常数与初始pH值的关系

5．5 表观速率常数与反应温度的关系

5．6 本章小结

第六章 果胶负载纳米零价铁去除Cr(Ⅵ)的机理分析

6．1 纳米零价铁去除重金属离子的理论可篚性

6．2 常规纳米零价铁的表征

6．3 果胶负载纳米零价铁的表征

6．4 本章小结

第七章 结论与建议

7．1 结论

7．2 建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文