零价铁复合膜还原降解水中亚硝基胺的研究

摘要

由于人口膨胀、环境污染等问题日益严重，使得人们对于水质安全要求日益提高。亚硝基二甲胺(N-nitrosodimethylamine，NDMA)是水处理领域中备受关注的强致癌性新兴含氮消毒副产物。美国环保署将其单位致癌风险对应的浓度确定为0.7ng/L。传统的去除方法不能有效的去除NDMA，零价金属还原技术，因原料来源广泛且操作简便，具有重要理论意义和实际应用价值。本研究以聚丙烯腈(PAN)平板膜及PAN中空纤维膜两类膜分别作为基体，分别制备两种零价铁复合膜，用于还原降解水中的NDMA。
　　以PAN平板膜为基材，采用阴、阳两种聚电解质交替组装的方法，在基膜材料表面制备含Fe0复合层。阴离子聚电解质β-环糊精与丙烯酸的水溶性共聚物(AA-MAH/β-CD)与铁Fe离子络合配位，将Feo负载于复合层中。含有零价铁的复合平板膜具有比基膜更小的膜孔，铁颗粒在膜表面均价分散，粒径在几百nm范围。NDMA溶液渗透过膜的过程中，小分子NDMA被复合层中具有包合作用的β-环糊精(β-CD)吸附，同时Feo将其还原转化。研究发现，溶液中的溶解氧和NDMA初始浓度对Feo的还原反应影响不大;pH值对于零价铁膜还原降解NDMA的影响显著。
　　以中空纤维PAN膜为基体材料，将贵金属钯(Pd)作催化剂修饰Fe0。PAN基膜荷电化改性后形成的大量羧基，通过羧基与Fe离子的配位实现铁在膜表面的固定。研究中，采用扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱(FTIR)、光电子能谱(XPS)分别对复合膜形貌结构、特征基团、元素种类、Fe价态进行表征分析。研究中发现，反应初期，还原反应的速度较快，NDMA去除率能够达到有Pd存在条件下，NDMA去除率显著增加;反应体系中NDMA初始浓度和pH值，以及溶解氧、反应温度和共存离子对二甲基亚硝胺去除率的有一定的影响。
　　两种零价铁膜还原NDMA的机制为Feo氧化释放电子，使得氢原子活化，还原NDMA为UDMH和DMA，NH4+。荷电化后的复合膜表面形成羧基，阴离子聚电解质分子链上也共聚了羧基，两种膜表面均含有大量羧基。羧基与还原NDAM过程中生成的铁离子再次络合，将溶液中的铁离子固定在PAN膜上。两种零价铁复合膜还原NDMA过程中溶液中铁释放量很少。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 饮用水安全性问题

1．2 N-亚硝基二甲胺(NDMA)简介

1．2．1 物化特性及毒性

1．2．2 NDMA在水体中的存在

1．2．3 NDMA的生成机理

1．2．4 NDMA的去除方法

1．3 零价铁技术的研究现状

1．3．1 零价铁还原的研究现状

1．3．2 纳米零价铁的研究现状

1．3．3 零价铁去除亚硝基胺机理

1．3．4 零价铁去除亚硝基胺存在的问题

1．4 铁的配位以及自组装技术

1．4．1 铁的配位与零价铁的制备

1．4．2 自组装技术

1．5 课题研究的目的意义及主要内容

1．5．1 课题研究目的意义

1．5．2 课题研究的主要内容

第二章 β-环糊精零价铁组装膜的制备

2．1 实验试剂与仪器设备

2．1．1 实验试剂与材料

2．1．2 实验仪器与设备

2．2 实验方法

2．2．1 聚电解质的制备

2．2．2 聚电解质与铁配位过程研究

2．2．3 聚电解质组装零价铁膜的制备

2．2．4 层层自组装零价铁膜的表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 聚电解质合成及表征

2．3．2 聚电解质与铁的配位

2．3．2 荷电化条件对PAN膜纯水通量的影响

2．3．3 聚合物组装零价铁膜表征

2．4 本章小结

第三章 β-环糊精零价铁组装膜对NDMA还原性能研究

3．1 引言

3．2 实验试剂与仪器设备

3．2．1 实验试剂与材料

3．2．2 实验仪器与设备

3．3 实验方法

3．3．1 β-CD对NDMA包合作用研究方法

3．3．2 PAN膜对NDMA作用效果

3．3．3 (ZVI-PAN)n复合膜还原NDMA的影响因素

3．4 结果与讨论

3．4．1 β-CD对NDMA包合作用研究

3．4．2 PAN膜对NDMA去除影响

3．4．3 初始浓度对(ZVI-PAN)n膜还原NDMA的影响

3．4．4 溶解氧对(ZVI-PAN)n还原NDMA的影响

3．4．5 溶液初始pH对(ZVI-PAN)n膜还原NDMA的影响

3．4．6 反应温度对(ZVI-PAN)n膜还原NDMA的影响

3．4．7 共存离子对(ZVI-PAN)n膜还原NDMA的影响

3．5 本章小结

第四章 Pd／Fe双金属中空纤维催化膜的制备及性能研究

4．1 引言

4．2 实验试剂与仪器设备

4．2．1 实验试剂与材料

4．2．2 实验仪器与设备

4．3 实验方法

4．3．1 Pd／Fe双金属中空纤维催化膜的制备

4．3．2 荷电化处理条件对负载铁量的影响

4．3．3 Pd／Fe负载PAN催化膜的表征

4．3．4 Pd／Fe催化膜还原NDMA

4．4 结果与讨论

4．4．1 荷电化处理条件对负载铁量影响

4．4．2 扫描电子显微镜分析

4．4．3 X-射线光电子能谱分析

4．4．4 负载铁量调控因素

4．4．5 Pd／Fe负载PAN膜催化降解NDMA

4．4．6 零价铁还原NDMA的机制推测

4．4．7 零价铁还原NDMA溶液中铁离子分析

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢