氢气还原天然褐铁矿、菱铁矿制备零价铁及其除磷作用

摘要

随着人类对水体富营养化环境问题的关注以及对环境质量要求的提高，净化含磷污废水迫在眉睫。寻求高效、低廉的除磷材料倍受研究者的关注。新型材料纳米零价铁因其比表面积大，吸附能力强而被广泛用作吸附剂。本文利用XRD、XPS、TG/DTG、SEM、TEM、BET等表征手段研究了铜陵天然褐铁矿及菱铁矿的矿物组成及其形貌形态特征，并通过热处理方式获得褐铁矿、菱铁矿纳米结构化相变零价铁。通过静态实验研究了不同因素（煅烧温度、初始pH值、反应时间、初始磷浓度、氧气总量、干扰离子对纳米铁除磷效率的影响以及反应动力学、吸附平衡的研究。同时将纳米零价铁作为动态柱填料并探究其除磷性能。得出以下结论:　　(1)铜陵天然褐铁矿主要由针铁矿（＞90wt％）和石英组成，褐铁矿晶体呈针状和片状，具纳米尺寸，集合体呈笋状和球状;热处理促使针铁矿进一步纳米结构化相变形成零价铁，具多孔结构、高比表面积特征。　　(2)铜陵天然菱铁矿矿石主要成分为菱铁矿(FeCO3)，除此之外还含有少量的针铁矿、黏土、石英等杂质。菱铁矿呈菱面体形态，样品中存在的叶片状形态的物质主要为伊蒙黏土矿物，针状、棒状形态的矿物为菱铁矿经风化氧化形成的针铁矿。　　(3)当煅烧温度达550℃及以上，氢气流速为180mL/min，氢气分别还原天然褐铁矿和天然菱铁3h可以完全转变成纳米零价铁。通过BET数据分析和实验结果证明，随着煅烧温度升高，纳米铁对磷的去除效率先升高后逐渐降低。要保证纳米零价铁除磷效果最佳，氢气还原天然铁矿制备纳米零价铁最佳煅烧温度点是550℃。　　(4)通过静态实验，考察了不同煅烧温度、初始pH值、氧气总量、初始浓度、干扰离子等对纳米零价铁除磷效果的影响，通过实验确定去除效果的最佳条件，并进一步分析了纳米零价铁除磷的机理。结果显示，在弱酸且溶解氧存在的条件下，本文两种材料制备出的纳米零价铁除磷效率达95％及以上。在纳米零价铁除磷过程中，反应时间、初始磷浓度、pH值、溶解氧量对去除率影响很大。而除磷效果基本不受反应温度的影响。　　(5)氢气还原褐铁矿制各纳米零价铁作为动态柱填料净化模拟含磷(5mg/L)废水可运行1年以上，磷去除效率超过99.5％，出水磷浓度达到地面水体环境质量Ⅱ类标准(0.025mg/L)。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 天然褐铁矿特征

1．1．1 褐铁矿形态和物理性质

1．1．2 天然褐铁矿成因及产状

1．1．3 天然褐铁矿分布与用途

1．1．4 天然褐铁矿的环境矿物学

1．2 天然菱铁矿特征

1．2．1 天然菱铁矿形态和物理性质

1．2．2 天然菱铁矿成因及产状

1．2．3 天然菱铁矿分布与用途

1．2．4 天然菱铁矿的环境矿物学

1．3 纳米零价铁的研究进展

1．3．1 纳米零价铁简介

1．3．2 纳米零价的研究现状

1．4 纳米铁微粒的制备方法

1．4．1 物理制备方法

1．4．2 化学制备方法

1．5 本论文的选题目的、意义和内容

1．5．1 本课题的选题目的、意义

1．5．2 研究内容

1．5．3 实验技术路线

第二章 纳米铁的制备及表征

2．1 实验部分

2．1．1 实验材料及仪器

2．1．2 制备方法

2．1．3 材料表征

2．2 结果与讨论

2．2．1 天然褐铁矿及热处理产物表征

2．2．2 天然菱铁矿及热处理产物表征

2．3 小结

第三章 氢气还原天然铁矿制备纳米铁静态除磷实验

3．1 实验部分

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验仪器

3．1．3 实验内容

3．2 结果与讨论

3．2．1 氢气还原天然褐铁矿静态除磷实验

3．2．2 氢气还原天然菱铁矿静态除磷实验

3．3 纳米铁除磷机理

3．4 小结

第四章 氢气还原天然褐铁矿制备纳米铁动态除磷实验

4．1 实验部分

4．1．1 热处理褐铁矿

4．1．2 矿物表征

4．1．3 动态柱吸附磷

4．2 结果与讨论

4．2．1 动态柱吸附磷性能

4．2．2 动态柱吸附产物分析

4．3 小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果