改性膨润土/纳米铁协同去除废水中的重金属污染物

摘要

零价铁(zero-valent iron, ZVI)处理重金属污染物是一种很有发展前途的环境修复技术。鉴于 ZVI与污染物间发生的是表面反应，采用比表面积更大的纳米零价铁(nanoscalezero-valent iron，NZVI)，可显著提高对污染物的去除效率，但是NZVI粒子的胶体性质和其固有的铁磁性，导致其易氧化、易团聚、稳定性差，从而降低了对污染物的去除能力。因此选用合适的载体材料，制备出反应活性高、性能稳定的负载型纳米零价铁，有助于推进 NZVI在环境修复中的实际应用。
　　本文利用膨润土有别于其它载体特有的结构－功能可调、缓冲介质 pH的性质，根据待处理污染物的性能，用合适的方法制得表面 Zeta电位不同的改性膨润土负载纳米零价铁，并用来处理不同的重金属污染物，即：用荷正电的羟基铝柱撑膨润土负载纳米零价铁(NZVI/Al-bent)处理以Se(VI)(即：SeO42-)为代表的阴离子目标污染物；用荷负电的钠基膨润土负载纳米零价铁( NZVI/Na-bent)处理以Ni(II)(即：Ni2+)为代表的阳离子目标污染物。通过 X-射线衍射仪( X-ray diffraction，XRD)、透射电子显微镜( Transmission electron microscopy，TEM)及比表面积和孔隙度分析仪等方法对 NZVI、NZVI/Al-bent和 NZVI/Na-bent进行了结构、形貌表征；结合原子吸收分光光度计(AAS)、X-射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy，XPS)及同步辐射 X-射线吸收精细结构(X-ray Absorption Fine Stucture，XAFS)光谱技术等现代分析手段，考察了两种改性膨润土负载纳米零价铁(NZVI/Al-bent和 NZVI/Na-bent)与NZVI体系在去除 Se(VI)、Ni(II)重金属污染物过程中污染物组分、介质 pH变化、溶液中铁离子浓度、反应产物种类、组成以及主要元素的价态变化等，比较了反应动力学、材料重复利用性等方面的差异，从微观层面上研究了改性膨润土与NZVI处理污染物过程中的协同作用机制。
　　主要研究结果表明：(1)以改性膨润土( Na-bent、Al-bent)作为NZVI的载体，能有效地阻止其团聚，提高对污染物去除效率，还对介质 pH具有一定的缓冲作用；
　　(2) NZVI/Na-bent、NZVI/ Al-bent对 Se(VI)、Ni(II)去除率远大于相同铁含量的NZVI，也明显高于 NZVI和对应膨润土对其去除率的加和，显示了 NZVI还原和改性膨润土吸附之间良好的协同效应；
　　(3)反应动力学结果表明，NZVI、NZVI/Al-bent及 NZVI/Na-bent对重金属污染Se( VI)、Ni( II)的去除是表面反应，均符合 L-H动力学方程，反应速率与污染物NZVI、NZVI/Al-bent和 NZVI/Na-bent上的吸附成正相关关系，即荷负电的NZVI/Na-bent对阳离子 Ni(II)具有较高的去除能力，荷正电的NZVI/ Al-bent对阴离子Se(VI)具有较高的去除能力；
　　(4)XAFS和 XPS技术分析结果表明，改性膨润土作载体，可使铁表面的部分腐蚀产物铁(氢)氧化物转移到膨润土上，从而有助于提高 NZVI的反应活性。

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引言

1绪论

1.1水体中重金属污染

1.2重金属污染物的特征及危害

1.3重金属污染物处理技术

1.4零价铁还原修复技术

1.5膨润土在环境污染控制中的应用

1.6本论文的研究方法和内容

2实验部分

2.1实验仪器和试剂

2.2膨润土改性及负载纳米零价铁的制备

2.3改性膨润土负载纳米铁处理含Se(VI)、Ni(II)合成废水实验

2.4分析方法

2.5本章小结

3羟基铝柱撑膨润土/纳米零价铁协同去除合成废水中Se (VI)污染物

3.1材料表征结果

3.2羟基铝柱撑膨润土/纳米零价铁协同去除Se (VI)序批实验

3.3产物表面分析及机理探究

3.4本章小结

4钠基膨润土/纳米零价铁协同去除Ni(II)

4.1不同铁样对Ni(II)去除率比较

4.2钠基膨润土、羟基铝柱撑膨润土对Ni(II)的吸附性能比较

4.3反应过程中pH变化

4.4不同初始浓度对Ni(II)去除率的影响及反应动力学

4.5负载纳米零价铁与纳米零价铁重复利用性比较

4.6 Fe2p光电子能谱分析

4.7本章小结

5结论

5.1总结

5.2本文创新点

参考文献

在学研究成果

致谢