浮石负载纳米铁的制备及其去除水中Cr(Ⅵ)、Hg(Ⅱ)的研究

摘要

水资源是我们人类赖以生存和发展的重要资源，但随着城市化与工业化进程的迅猛发展，绝大多数城市出现了严重的水质问题，其中水体重金属污染尤其突出。重金属具有移动性高，中毒浓度低的特点，在水体中不易被降解，且具有生物富集作用，一旦污染水体不仅难以去除而且会严重危害水生动植物及人类的健康。
　　近来，在环境污染治理领域，纳米零价铁(Nanoscalezero-valent iron，NZVI)作为一种新的污染控制技术倍受关注。许多学者对其处理重金属污染展开了研究，并证明有较好的效果。但纳米零价铁具有空气稳定性差，易氧化甚至自燃、极易团聚的不足，对其的制备及实际应用提出了很大挑战。因此，如何克服纳米零价铁的这些不足成为进一步的研究热点。
　　本论文通过资料搜集与整理决定使用浮石作为负载材料，来制备负载型纳米铁(Pumice-NZVI，P-NZVI)，并用于Cr(Ⅵ)、Hg(Ⅱ)溶液的处理。对P-NZVI进行了表征分析、物理属性分析，探讨了P-NZVI去除水中Cr(Ⅵ)、Hg(Ⅱ)的机理以及环境因素对去除效果的影响，并进行了相应的动力学研究，最后对P-NZVI的重复利用性进行了验证。本论文的研究主要分为以下五个部分:
　　1.通过多组实验来探索P-NZVI的最佳制备工艺为:使用液相还原法制备纳米零价铁，室温，全程氮气保护，使用体积比为8∶1的醇水混合液溶解FeCl3·6H2O并定容至100 mL，与3.36 g浮石颗粒一同加入三口烧瓶，通入高纯N2，保持持续搅拌，1h后使用蠕动泵将100 mL去离子水配成的硼氢化钠溶液（Fe3+与BH4-的物质的量比为1∶5）以1滴／秒的速率缓慢滴加至三口烧瓶中，每滴加10 min，放入超声波清洗机超声2 min(频率:40 KHz)，全部滴加完成后继续搅拌1h，脱氧去离子水清洗三次，每次用水100 mL，使用电热套65℃加热烘干，干燥冷却后收集备用。
　　2.表征分析结果显示，NZVI颗粒大小均匀，粒径在10～20 nm之间，浮石外表粗糙，呈多孔疏松状，NZVI颗粒较为均匀的分布在浮石表面及其孔道内，具有很好的分散性。利用BET N2法检测得到P-NZVI的比表面积为32.2 m2/g(NZVI含量为0.28 g，质量比为7.7％)，高于其他负载型纳米铁材料。热分析仪对P-NZVI的分析得出P-NZVI在550℃以下具有很好的热稳定性。浮石性质坚硬，P-NZVI具有较好的机械性能。
　　3.P-NZVI对水中Cr(Ⅵ)、Hg(Ⅱ)的去除包括物理吸附与化学还原两个过程，首先通过浮石优良的吸附性能将Cr(Ⅵ)、Hg(Ⅱ)吸附于P-NZVI的表面及内部，进而通过NZVI的强还原性将Cr(Ⅵ)、Hg(Ⅱ)还原为Cr(Ⅲ)、Hg(0)，以达到去除水中Cr(Ⅵ)、Hg(Ⅱ)的目的。同时对于Hg(Ⅱ)的去除还包括少量的铁氧化物、铁氢氧化物的絮凝作用。
　　4.随着水中重金属浓度升高，P-NZVI对Cr(Ⅵ)、Hg(Ⅱ)的去除率逐渐降低;随着实验污水初始pH的升高，P-NZVI对Cr(Ⅵ)的去除率逐渐降低，对Hg(Ⅱ)的去除率逐渐升高;随着反应温度的升高、NZVI用量的增加，P-NZVI对Cr(Ⅵ)、Hg(Ⅱ)的去除率逐渐升高。另外，由于铁的氢氧化物对Hg(Ⅱ)具有吸附、絮凝作用，温度升高会促使铁氢氧化物的溶解，pH过高也会增大Hg(Ⅱ)的溶解度，因此，温度过高、pH过高，会使Hg(Ⅱ)的去除率变化有所波动;NZVI用量过大，会造成过多的铁被腐蚀进而影响Cr(Ⅵ)、Hg(Ⅱ)的去除。动力学研究也相应的证明了以上规律。P-NZVI对于Cr(Ⅵ)、Hg(Ⅱ)具有非常好的去除效果，总体上而言环境因素对于去除效果的影响是比较小的。
　　5.使用偏酸性去离子水浸泡已使用过的P-NZVI，可起到溶解NZVI及P-NZVI表面复合沉淀物，“再生”NZVI的作用。P-NZVI具有较好的重复利用性，在原位修复重金属污染水体中，具有非常重要的实用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外相关研究

1．3 研究内容、刨新点、方法和技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 创新点

1．3．3 研究方法

1．3．4 技术路线

第二章 P-NZVI的制备

2．1 引言

2．2 NZVI制备方法的选择

2．2．1 还原剂的选择

2．2．2 分散体系的选择

2．2．3 保护体系的选择

2．3 材料与方法

2．3．1 主要实验试剂

2．3．2 主要实验仪器

2．3．3 浮石的采集与处理

2．3．4 制备P-NZVI操作体系的建立

2．4 P-NZVI的制备方法及制备条件的选择

2．4．1 P-NZVI制备条件的选择

2．4．2 样品表征与分析

2．4．3 结果与讨论

2．5 结论

第三章 P-NZVI的表征分析及物理属性

3．1 引言

3．2 P-NZVI的表征分析

3．2．1 分析方法

3．2．2 表征分析结果

3．3 P-NZVI比表面积分析

3．4 P-NZVI热稳定性分析

3．5 P-NZVI的机械性能

3．6 结论

第四章 P-NZVI去除水中Cr(Ⅵ)、Hg(Ⅱ)性能研究

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 主要实验试剂

4．2．2 主要实验仪器

4．2．3 X射线光电子能谱(XPS)分析

4．2．4 实验污水制备

4．2．5 实验方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 P-NZVI去除水中Cr(Ⅵ)、Hg(Ⅱ)的机理分析

4．3．2 环境因素对P-NZVI去除水相中Cr(Ⅵ)、Hg(Ⅱ)的影响

4．4 本章小结

第五章 反应动力学研究

5．1 引言

5．2 NZVI的用量对P-NZVI去除Cr(Ⅵ)、Hg(Ⅱ)的动力学影响

5．3 实验污水pH对P-NZVI去除Cr(Ⅵ)、Hg(Ⅱ)的动力学影响

5．4 实验污水浓度对P-NZVI去除Cr(Ⅵ)、Hg(Ⅱ)的动力学影响

5．5 反应温度对P-NZVI去除Cr(Ⅵ)、Hg(Ⅱ)的动力学影响

5．6 本章小结

第六章 P-NZVI的重复利用性

6．1 引言

6．2 材料与方法

6．2．1 主要实验试剂

6．2．2 主要实验仪器

6．3 实验污水的制备

6．4 实验方法

6．5 结果与讨论

6．6 本章小结

第七章 结论与建议

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 建议

参考文献

致谢