生物炭负载纳米零价铁在还原及氧化体系下对污染物的去除研究

发布时间：2020-07-14 08:38

【摘要】：随着工业的快速发展,环境问题日益突出,因此开发改进改进一些环境功能性材料十分必要。目前纳米零价铁因其比表面积大,反应活性高,被广泛应用于环境污染修复领域。然而,纳米零价铁(nZVI)在实际应用中存在容易团聚的问题,为了解决这一问题,本研究采用多孔性生物炭材料作为纳米零价铁的载体,从而将纳米铁颗粒均匀的分布于生物炭(BC)表面,减少其团聚效应。本文对该复合材料在环境中的应用进行了研究,根据纳米零价铁去除污染物的反应机理分为还原体系和氧化体系。在还原体系实验中,分别利用盐酸(HCl),氢氧化钾(KOH)和过氧化氢(H_2O_2)对生物炭进行改性处理,分别得到了三种改性生物炭材料,即HCl-BC,KOH和H_2O_2-BC。将这三种生物炭和未改性的生物炭作为纳米零价铁的负载材料,合成了不同种类的生物炭负载纳米零价铁的复合材料(nZVI@BC,nZVI@HCl-BC,nZVI@KOH-BC和nZVI@H_2O_2-BC),并将这四种复合材料用于六价铬的去除中去。结果表明盐酸改性的生物炭负载纳米零价铁复合材料对六价铬的去除效果最好,我们对其中的机理进行了讨论。通过反应前后nZVI@HCl-BC的表面元素分析发现,Fe,Cr和O元素在nZVI@HCl-BC表面均匀的分布,这表明Cr(III)/Fe(III)不仅仅是包裹在纳米零价铁表面,而是均匀的分布于整个nZVI@HCl-BC表面,这也进一步说明了将nZVI负载于BC表面可以在一定程度上缓解其自身的表面钝化。另外本研究对六价去除反应的影响因素进行了讨论,包括:nZVI@HCl-BC中纳米零价铁生物炭的比例,初始pH和初始Cr(VI)浓度。结果表明较高的nZVI/BC质量比会导致纳米零价铁在HCl-BC表面团聚,但是过低的比例会造成过量的HCl-BC堵塞纳米零价铁的活性位点。另外初始pH和初始Cr(VI)浓度对反应也具有很大影响。在氧化体系中,将生物炭负载纳米零价铁的复合材料(nZVI@BC)作为类芬顿体系的活化剂用于磺胺二甲基嘧啶(SMT)的去除中,并探究了该反应体系下主要的去除机理。其中nZVI主要的作用是活化H_2O_2分解,产生羟基自由基(·OH)去除SMT。BC在体系中除了能够阻止nZVI团聚外,还起到了吸附SMT,催化H_2O_2和减少nZVI钝化的作用。本章还讨论了不同的因素(即:复合材料中nZVI/BC质量比,溶液pH,H_2O_2浓度以及nZVI@BC复合材料投加量)对类芬顿体系去除SMT的影响,并选出了最佳反应条件(复合材料中nZVI/BC质量比1:5,溶液pH 3,H_2O_2浓度20 mM以及nZVI@BC复合材料投加量1.2 g/L)。此外本章还对nZVI@BC重复利用的可行性进行了研究。结果表明经过两次循环,该复合材料对SMT的去除率从74.04%降到53.23%,再降到38.02%。通过对新制备nZVI@BC,一次循环nZVI@BC和两次循环nZVI@BC的XRD分析推测造成nZVI@BC去除效率大幅降低的原因可能是实验中Fe~0的流失造成的nZVI@BC活性降低。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X505
【图文】：

生物炭,Cr浓度,零价铁,纳米

0 20 40 60 80 100 1205678910剩余Cr浓度（mg/L）时间（分）nZVI@BC(1:1)nZVI@HCl-BC(1:1)nZVI@KOH-BC(1:1)nZVI@H2O2-BC(1:1)图 2.3 四种生物炭负载纳米零价铁对 Cr(VI)的去除

均匀分布,后产物,扫描电镜图,零价铁

硕士学位论文2.12）。能谱结果显示 Fe，Cr 和 O 三种元素在 HCl-BC 表面均匀分布，这表明反应过程中形成的 Cr(III)/Fe(III)沉淀在也均匀的包覆在复合材料表面，即只有一小部分的沉淀包裹在了纳米零价铁表面。由于很大部分沉淀分布在 HCl-BC 表面，减缓了纳米零价铁的表面钝化，从而保持了纳米零价铁的活性。

均匀分布,元素分布图,反应产物,零价铁

能谱结果显示 Fe，Cr 和 O 三种元素在 HCl-BC 表面均匀分布，这表明反应过程中形成的 Cr(III)/Fe(III)沉淀在也均匀的包覆在复合材料表面，即只有一小部分的沉淀包裹在了纳米零价铁表面。由于很大部分沉淀分布在 HCl-BC 表面，减缓了纳米零价铁的表面钝化，从而保持了纳米零价铁的活性。图 2.11 a) nZVI@HCl-BC 和 b) 反应后产物扫描电镜图

【参考文献】