碳改性纳米零价铁在铬污染治理中的应用研究

摘要

纳米零价铁(Nano zero-valent iron，nZVI)被广泛应用于水体与土壤中Cr(Ⅵ)的处理，但由于易团聚、不稳定等缺点导致其在污染处理中的应用受到诸多限制。已有研究表明，将nZVI负载于稳定的载体上能够有效改善其缺陷。本文通过水热合成和液相还原两步法，制备新型碳改性nZVI，通过多种仪器表征探索其制备机理;将材料分别应用于水体与土壤中Cr(Ⅵ)的处理，考察材料的应用性能，并探究其对Cr(Ⅵ)的去除机理。本论文主要结论如下:
　　(1)通过水热合成法制备改性碳(Modified activated carbon，MAC)载体，在聚乙二醇-水溶液体系中液相还原合成了新型碳改性nZVI材料，该材料表面具有木耳状结构，表面积最高为141.85m2·g-1，孔体积最高为0.202cm3g-1;材料上负载的nZVI颗粒呈球状和链状，粒径约为30～40nm，为体心立方结构并嵌于木耳状结构中;通过SEM，XRD，XPS等表征分析表明，该木耳状结构为合成体系中聚乙二醇成分发生解聚生成小分子，在MAC载体上发生了再组装形成的多醇类结晶。
　　(2)通过考察碳改性nZVI材料在水体中Cr(Ⅵ)的去除效果，发现:材料最佳铁碳比为1.5g·g-1，Cr(Ⅵ)污染废水处理的最佳参数为:初始浓度为40mg·L-1，溶液pH值为4，材料添加量为4g·L-1;材料对于Cr(Ⅵ)浓度为80～200mg·L-1的溶液去除效果较好，去除率接近100％，碱性条件下去除率较高;该去除过程契合准二级吸附动力学方程和表观一级反应动力学方程;
　　(3)通过考察碳改性nZVI材料对Cr(Ⅵ)土壤的修复效果，发现:修复效果随着材料投加量的上升而上升，随着土水比的递增而降低;当投加量为0.5％时，修复效果最佳，为89％，该修复过程在5h时基本达到平衡，并且随着反应的进行，去除率有轻微的下降趋势;
　　(4)探究了碳改性nZVI材料对于Cr(Ⅵ)的去除机理:材料上nZVI将Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ)，铁离子与Cr(Ⅲ)形成铁铬氢氧化物或铁铬羟基氧化物沉积于材料表面;木耳状结构构成H+浓度较高的微域，保证了碱性条件下反应的进行;Cr(Ⅵ)土壤的修复还包含土壤颗粒对Cr(Ⅵ)的脱附过程，并且该脱附过程为控速步骤。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 环境中铬污染概况

1．1．1 铬污染的来源

1．1．2 铬污染的危害

1．1．3 我国铬污染现状

1．2 环境中铬污染治理技术

1．2．1 水体中铬污染治理技术

1．2．2 土壤中铬污染治理技术

1．3 nZVI治理技术的研究进展

1．3．1 nZVI概况

1．3．2 nZVI的合成

1．3．3 nZVI的应用

1．3．4 nZVI的改性

1．4 论文研究框架

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

1．4．3 研究技术路线

第二章 碳改性nZVI的合成

2．1 材料与设备

2．2 实验与方法

2．2．1 MAC的制备

2．2．2 碳改性nZVI的制备

2．2．3 碳改性nZVI的表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 材料微观形貌分析

2．3．2 材料成相与晶体结构分析

2．3．3 材料化学成分和表面电子状态分析

2．3．4 材料碳结构分析

2．3．5 材料比表面积和孔体积分析

2．3．6 材料制备机理分析

2．4 本章小结

第三章 碳改性nZVI在水体中Cr(Ⅵ)去除中的应用与机理研究

3．1 材料与设备

3．2 实验与方法

3．2．1 正交实验

3．2．2 批量实验

3．2．3 反应前后材料的表征

3．2．4 分析与计算方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 碳改性nZVI去除Cr(Ⅵ)的最优参数分析

3．3．2 碳改性nZVI去除Cr(Ⅵ)的性能分析

3．3．3 碳改性nZVI去除Cr(Ⅵ)的动力学分析

3．3．4 碳改性nZVI去除Cr(Ⅵ)的机理分析

3．4 本章小结

第四章 碳改性nZVI在土壤中Cr(Ⅵ)去除中的应用与机理研究

4．1 材料与设备

4．2 实验与方法

4．2．1 污染土壤的配制

4．2．2 单因素实验

4．2．3 分析方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 供试土壤的理化性质

4．3．2 碳改性nZVI去除Cr(Ⅵ)的性能分析

4．3．3 碳改性nZVI去除Cr(Ⅵ)的机理分析

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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