新型铁基功能复合材料的制备及土壤Pb污染修复研究

发布时间：2020-08-07 10:57

【摘要】：近几年来,我国工农业飞速发展的同时引起一系列严重的环境污染问题,特别是土壤中铅污染。铅一旦进入人体内,会严重影响人体健康,产生极大的危害,并且很难逆转,不易排出。因此土壤Pb污染引起世界范围的广泛关注,各种修复方法也应运而生。其中固化稳定化技术,投入低、效率高、修复周期短、操作简单,能解决传统方法遇到的难题,具有较好的应用前景。本文采用水热法以FeCl_3·6H_2O为原料,乙二醇为溶剂,二乙烯三胺为氨基源。在160℃、8 h的反应条件下,一步合成NH_2-FeOOH,再使用嫁接法将壳聚糖(CS)负载在已制备成功的NH_2-FeOOH上,得到CS/NH_2-FeOOH。同时,探究水热反应的时间和温度的变化对材料的物相特征影响,得到NH_2-Fe_2O_3和NH_2-Fe_3O_4两种新材料。以220℃,2 h条件下制备的NH_2-Fe_3O_4为吸附剂,通过室内批量平衡试验探究其对土壤中的重金属Pb的吸附固化效果,同时用0.1 mol/L的HCl和NaOH溶液调节硝酸铅溶液的pH以探究pH对固化效果的影响。另一方面,以160℃、8 h的反应条件下,制备的NH_2-FeOOH和CS/NH_2-FeOOH这两种材料为固化剂,通过室外盆栽实验分析材料固化土壤重金属的效果。大量研究表明,干湿交替对固化稳定化技术的影响明显。因此,本文选用活性炭和硅藻土为固化剂,通过盆栽实验探究干湿交替对固化剂修复土壤重金属效果的影响。文章的主要内容和结论如下:(1)材料的制备。采用水热法,一步直接制备出NH_2-FeOOH,再采用嫁接法负载上了壳聚糖,得到CS/NH_2-FeOOH。经SEM、XRD、FTIR、比表面及孔隙度表征分析,证明两者均为片状,均属于纳米级材料,且具有介孔结构和较大的比表面积。两者的孔径大小分别为16.368 nm、16.543 nm。比表面积分别为103.949 m~2·g~(-1)、84.973 m~2·g~(-1)。(2)NH_2-FeOOH材料制备的优化。分别选择了160℃,8、10、12、14、16、18 h和180℃、200℃、220℃各2、4、6、8 h,不同温度的4个系列来制备。宏观表现为:随着温度和时间的增加,样品的颜色加深变化过程为橙黄色—褐色—灰黑色,磁性也随之增强,颗粒变细,粘附性增强,产量降低;微观形貌分析得到,温度和时间增加,样品的成长过程为:由片状变为颗粒状,又逐渐形成均匀的球状,最后为纳米级小球和微米级块状共存的状态;经过扫描电镜分析得出,2 h时,180℃、200℃、220℃这一系列三个样品的形貌具有代表性。又进一步通过XRD、FTIR分析得出,该条件下制备出的材料分别为氨基化的α-Fe_2O_3、FeOOH、Fe_3O_4。(3)室内模拟实验。在土壤中加入NH_2-Fe_3O_4材料后,对Pb的吸附量随着加入材料的量的增加而增加,当加入材料的量为土壤质量的9%时,对Pb的吸附达到平衡。不同pH下,材料对重金属Pb吸附量为碱性中性酸性。(4)室外盆栽实验。通过盆栽实验探究NH_2-FeOOH和CS/NH_2-FeOOH修复土壤重金属Cu、Zn、Pb、As的效果。经pH、有机质、土壤消解和有效态的提取结果分析,得到NH_2-FeOOH和CS/NH_2-FeOOH对Pb的修复效果最好。NH_2-FeOOH材料对重金属有效态Pb去除率最高可达19.2%。(5)干湿交替影响研究。在土壤中加入0.6%活性炭和硅藻土后,通过盆栽小麦实验,设置淹水、淹水-干旱、干旱三种处理方式,探究干湿交替处理对材料修复土壤重金属的影响。两个月的栽培后,经pH、有机质、土壤消解和有效态的提取结果分析,得出淹水处理可以提高材料的固化效果。通过以上实验及结论可知,本研究成功制备了多种新型氨基功能化复合材料,且在修复重金属Pb方面有一定的效果。
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X53;TB33
【图文】：

路线图,研究技术,路线,污染修复

研究技术路线

吸收光谱,XRD分析

图 2-1 NH2-FeOOH 和 CS/NH2-FeOOH 的 XRD 分析Figure 2-1 XRD analysis of NH2-FeOOH and CS/NH2-FeOOH铁的羟基氧化物的 IR 吸收光谱的特征峰来自于 Fe-OH 的弯曲振动和 Fe伸缩振动。FeOH 群体中OH振动峰在1124 cm-1，从图2-2中可看出在1124 两者均出现有一个强而尖的振动峰[72]。1388 cm-1处是 CS 的振动吸收峰，1-1为 C=O 基的振动吸收峰[73]。2927 cm-1和 2857 cm-1是氨基物质以及 SD的疏水 CH2的不对称伸缩振动和对称伸缩振动吸收峰。同时在 1635 cm-1处强的吸收峰，峰形较短和细，这是-NH2弯曲振动引起的[74]，这都表明已成氨基接在羟基氧化铁上[75, 76]。3440 cm-1附近宽的吸收峰是由于羟基自由基缩振动。从样品的 XRD 和 FTIR 分析均能证明本实验方法得到的材料分别2-FeOOH 和 CS/NH2-FeOOH。

FTIR分析

图 2-2 NH2-FeOOH 和 CS/NH2-FeOOH 的 FTIR 分析Figure 2-2 FTIR analysis of NH2-FeOOH and CS/NH2-FeOOH2.4.2 形貌分析SEM 表征前，对粉末样品粘样后，需先对样品进行喷金以增强其导电行观察。样品设置的扩大倍数为 50,000，70,000，100,000 和 150,000。步合成氨基功能化羟基氧化铁及负载壳聚糖后氨基羟基氧化铁的 SEM分别选择了在低倍和高倍下观察的电镜图（a）和（b）为 NH2-FeOOH高倍放大图，（c）和（d）为 CS/NH2-FeOOH 的低倍和高倍放大图。由图 2-3 中的（a）和（b）可以看出 NH2-FeOOH 为相连的片状，片的 15 nm，每片的厚度和形状相同；从（c）和（d）可知，CS/NH2-FeO状，片的直径约为 100 nm，个别圆片有成圆趋势，材料的晶型不均匀晶体。两种材料均出现不同程度的团聚现象，一方面由于小颗粒间存在

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