纳米Fe0/Ni0双金属材料去除溶液中U(VI)的性能研究

摘要

近年来，纳米零价铁(nZVI)在环境修复领域得到了广泛的应用，但是由于活性高而易钝化失去活性，降低去除污染物的能力。因此为了提高其活性，常常会掺入另一种还原电位高的催化金属形成活性更高的铁基双金属体系。然而Pt、Ag是贵重金属， Pb是有毒重金属，Cu、Ni对环境污染小、便宜易得，Ni因其本身就是一个中等强度的还原剂且不易被硫酸、盐酸、有机酸和碱性溶液的侵蚀，故本实验选择Ni作为掺杂金属。双金属在环境水污染方面的应用研究很多，主要是催化降解有机物，也有少量对去除重金属的研究报道，但是利用 Fe0/Ni0双金属去除溶液中 U(VI)的研究还未见报道。　　本文采用同步液相法制备纳米Fe/Ni 双金属颗粒，通过SEM、元素分析、XPS、氮气吸附-脱附等手段来表征反应前后材料的微观形貌。通过静态批实验法考察了溶液pH、U(VI)初始浓度、固液比、反应接触时间和温度对该材料去除溶液中U(VI)性能的影响。采用还原动力学模型、等温吸附模型、吸附热力学进行了机理分析，并探究了溶液中的离子强度和不同阴阳离子种类对纳米 Fe0/Ni0双金属材料去除除溶液中U(VI)的影响。最后以PRB装柱方式进行了动态柱实验，研究了不同钙离子浓度、碳酸根浓度和流速对实验结果的影响，探讨了在修复铀污染土壤方面的潜力。研究结果如下：　　（1）Fe/Ni 双金属材料的表征结果表明：新制备的Fe/Ni 双金属材料是由纳米片状聚集在一起，形似“花瓣”，并且表面负载了许多相互连接的球形纳米颗粒，分散性较好。BET 测试结果表明纳米零价铁和纳米 Fe0/Ni0双金属的比表面积分别为16.23 m2·g-1和26.10 m2·g-1，说明镍的添加则有效的增大了反应比表面积。　　（2）静态批实验研究结果表明：纳米Fe0/Ni0双金属在pH为3.5，吸附平衡时间为30 min，25℃时的去除率达到了99%。与纳米零价铁相比，双金属材料能在更宽泛的pH值下产生较好的去除效果，加快了去除速率以及提高了吸附容量。　　（3）还原动力学研究表明：在反应前30 min内纳米Fe/Ni 双金属去除U(VI)的反应过程是符合准一级还原动力学，表明对U(VI)是以还原沉淀的方式去除的。吸附过程符合Langmuir等温吸附模型，说明吸附是单分子层吸附。热力学参数ΔH＞0、ΔG＜0，表明纳米Fe0/Ni0双金属对U(VI)的去除属于自发进行的吸热反应，且温度越高自发程度越大。ΔS＞0，说明是不可逆的熵增反应。　　（4）离子强度影响研究结果表明：离子强度并不会对其产生影响，说明吸附反应是非专性吸附，不发生离子交换。阳离子对其影响效果为Ca2+、Mg2+离子的影响较大，K+、Na+离子的影响较小。阴离子影响效果为CO32-＞NO3-＞ClO4-。腐殖酸的存在对去除是产生抑制作用。　　（5）动态柱实验研究结果表明：随着Ca2+和CO32-浓度的增加穿透体积在不断的减小，这是随着因为钙离子和碳酸根离子浓度的增加，带负电的 CaUO2(CO3)32-以及络合物Ca2UO2(CO3)3(aq)也会逐渐增多，这会抑制材料对铀的处理。随着流速的增大，穿透所需的溶液体积在减小，吸附量也在减小，流速越小，吸附材料与铀(VI)的接触时间越长，反应越彻底，PRB柱的穿透点就越长。因此较低的流速对修复受铀污染的土壤是有利的。

目录

声明

1 绪论

1.1铀资源的利用及危害

1.2纳米零价铁的研究利用现状

1.3纳米铁基双金属的研究利用现状

1.4 双金属的制备

1.5 双金属还原去除U(VI)的机理

1.6 本论文的研究意义和内容

2 纳米Fe0/Ni0双金属材料的制备及去除溶液中U(VI)的性能研究

2.1 前言

2.2 实验材料与方法

2.3 实验方法

2.4 结果分析与讨论

2.5 本章小结

3 纳米Fe0/Ni0双金属材料去除溶液中U(VI)的机理研究

3.1 纳米Fe0/Ni0双金属对溶液中U(VI)的动力学研究

3.2 纳米Fe0/Ni0双金属对溶液中U(VI)的吸附热力学研究

3.3 纳米Fe0/Ni0双金属对溶液中U(VI)的等温吸附研究

3.4 本章小结

4纳米Fe0/Ni0双金属材料修复铀污染土壤的应用研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果分析

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献