纳米铁炭复合材料去除地下水中硝酸盐研究

摘要

地下水污染问题日益突出，硝酸盐是地下水中最普遍的污染物之一，被许多国家列为优先控制污染物。纳米铁材料是目前最有潜力的硝酸盐污染修复材料之一，然而由于纳米零价铁本身易团聚氧化，会造成其反应活性降低。采用活性炭与纳米铁复合，既在一定程度上缓解了纳米铁团聚严重的问题，同时炭与铁之间形成无数微原电池，参与硝酸盐的化学还原过程，对硝酸盐的去除起一定促进作用。
　　本文以液相还原法制备纳米铁炭复合材料，讨论了制备材料过程相关工艺参数如硼氢化钠加料速率、炭铁比例、加炭时间以及制备反应体系机械搅拌强度等对材料去除硝酸盐性能的影响，获得了最佳的制备条件参数，再以XRD、SEM、TEM和XPS对反应前后材料的晶型结构、形貌以及表面元素组成进行表征分析。在此基础上研究了纳米铁炭复合材料去除水中硝酸盐的试验条件对去除效率的影响，并初步探讨了复合材料去除硝酸盐的反应机理，进一步尝试将纳米铁炭复合材料应用于处理地下水中硝酸盐。取得的主要认识有:
　　(1)在制备纳米铁炭复合材料的过程中，以硝酸盐模拟废水作为底物反应考察所制材料的脱氮还原性能，当炭铁比例为0.4，硼氢化钠加料速率为20mL/min，加炭时间在硼氢化钠加料完成后的第10min，反应体系机械搅拌速率在500rpm时，复合材料对硝酸盐去除效率最高。
　　(2)XRD测试结果表明:纳米铁炭复合材料是由纳米零价铁和活性炭组成的。SEM图可看出纳米铁颗粒与活性炭是粘连在一起的。SEM和TEM表征结果发现，材料有一定程度的团聚现象，而活性炭的片状结构对团聚的情况有适当的缓解，纳米铁颗粒表面包覆着一层致密的氧化膜。XPS测试证实了材料表面的氧化，Fe2p分谱出现了FeO和Fe2O3峰。扫描反应后材料的C1s分谱与反应前相比，出现了代表C-O结构的新峰，证实活性炭参与了该反应。
　　(3)对比活性炭、纳米零价铁和纳米铁炭复合材料处理不同浓度的硝酸盐模拟废水，纳米铁炭复合材料对硝酸盐氮的去除量大于纳米铁和活性炭两种材料分别对硝酸盐氮的去除量之和，活性炭的引入对于硝酸盐的去除率有很大的提升。通过批试验考察了试验条件对复合材料去除硝酸盐的影响，结果表明:增加复合材料投加量，可以提高硝酸盐的去除量，但复合材料投加超过一定量后，硝酸盐的去除量不会再增加;降低反应体系的初始pH、提高反应振荡速率、提高反应温度均能增加复合材料对硝酸盐的去除速率，共存离子中PO43-、SO42-、HCO3-、CO32-等会不同程度影响其对硝酸盐的去除量和去除速率，其中PO43-对会明显降低复合材料对硝酸盐去除量，阳离子如Mg2+，Ca2+对硝酸盐的去除效果影响很小。
　　(4)硝酸盐与纳米铁炭复合材料反应的终产物以氨氮为主，氨氮的转化量约为硝酸盐氮去除总量的80％。在反应过程中，亚硝酸盐有所积累，转化量约为4％，但随着反应的进行，生成的亚硝酸盐被进一步还原为氨氮，含量逐渐减少直至最终被完全还原。复合材料投加量、反应体系的初始pH、反应振荡速率、反应温度和共存离子对脱硝反应过程氨氮生成量的影响，与去除硝酸盐氮的趋势几乎一致，共存离子HCO3-和CO32-对氨氮生成量的影响较为明显，在一定程度上降低了氨氮的转化率。
　　(5)复合材料在处理受硝酸盐污染的地下水时，同样表现出较为高效的脱硝能力，与处理模拟废水相比，反应速率有所降低，这与地下水中共存离子等不利影响条件有关。

目录

声明

摘要

第1章 前言

1．1 研究背景

1．1．1 地下水硝酸盐污染及其来源

1．1．2 硝酸盐污染的危害

1．1．3 国内外地下水硝酸盐污染状况

1．2 硝酸盐污染修复技术国内外研究现状

1．2．1 硝酸盐污染处理技术

1．2．2 纳米金属还原修复硝酸盐污染技术

1．2．3 纳米铁系复合材料硝酸盐修复技术

1．3 活性炭材料应用现状

1．3．1 活性炭材料概述

1．3．2 铁炭微电解概述

1．4 课题提出与研究意义

1．5 研究内容与技术路线

第2章 纳米铁炭复合材料的制备及表征

2．1 实验材料与方法

2．1．1 实验材料与设备

2．1．2 实验方法

2．1．3 测试方法

2．1．3 表征方法

2．2 结果与分析

2．2．1 表征结果分析

2．2．2 硼氢化钠加料速率的影响

2．2．3 机械搅拌强度的影响

2．2．4 炭铁比例的影响

2．2．5 加炭时间的影响

2．2．6 正交试验

2．3 本章小结

第3章 纳米铁炭复合材料去除水中硝酸盐试验研究

3．1 试验方法

3．2 不同材料处理硝酸盐对比试验

3．3 不同因素对纳米铁炭复合材料处理硝酸盐的影响

3．3．1 复合材料投加量的影响

3．3．2 反应体系初始pH的影响

3．3．3 振荡强度的影响

3．3．4 反应体系温度的影响

3．3．5 共存离子的影响

3．4 纳米铁炭复合材料去除硝酸盐中间产物以及终产物分析

3．5 不同试验条件对氨氮生成量的影响

3．5．1 复合材料投加量对氨氮生成量的影响

3．5．2 反应体系初始pH对氨氮生成量的影响

3．5．3 振荡强度对氨氮生成量的影响

3．5．4 反应体系温度对氨氮生成量的影响

3．5．5 共存离子对氨氮生成量的影响

3．6 本章小结

第4章 纳米铁炭复合材料处理硝酸盐污染地下水应用研究

4．1 纳米铁炭复合材料去除地下水中硝酸盐可行性分析

4．2 纳米铁炭复合材料去除地下水中硝酸盐氮试验

4．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果