黄原胶稳定氧化石墨烯负载纳米铁去除地下水中六价铬污染的研究

发布时间：2020-09-28 06:35

　　随着工业化的快速发展,重金属在各种产品中的应用需求旺盛。由于储存及处置不当,使其成为地下水中最为常见的污染物。重金属离子难以降解,在地下环境中长期存在,严重威胁生态环境和人类健康。几十年来,有毒重金属污染的土壤和地下水的修复一直是一个重大的环境挑战。其中,Cr(Ⅵ)是土壤和水中最常见的重金属污染物之一。纳米铁以其经济、高效等特点在Cr(Ⅵ)污染地下水修复中备受青睐。但其在原位应用中存在易失活、易钝化、易团聚、稳定性及迁移性差等问题,限制了此技术的进一步发展和应用。而石墨烯具有比表面积大、优异的导电性、导热性和机械强度等优良性能。因此,将二者结合充分发挥优势,拓展其在环境修复领域中的潜在应用价值。基于此,本文利用氧化石墨烯(GO)为载体,研发了具有高反应活性、抗钝化作用和持久有效的氧化石墨烯负载纳米铁复合材料(nZVI/rGO),并利用黄原胶(XG)对其加以稳定,以Cr(Ⅵ)作为目标污染物,考察其作为原位反应带修复材料的反应性、迁移性及修复效果。阐明nZVI/rGO对Cr(Ⅵ)的去除机理,XG稳定nZVI/rGO的机制,以及XG稳定的nZVI/rGO(XG-nZVI/rGO)在饱和多孔介质中的迁移沉积机制。建立了预测多分散性XG-nZVI/rGO沉积参数的先验模型,有效地预测了多分散性胶体颗粒的迁移行为。研究成果对Cr(Ⅵ)污染地下水修复具有一定的指导意义。本论文主要得出以下研究成果:(1)制备一种nZVI/rGO复合材料,nZVI作为电子供体将电子传递到石墨烯表面,使得整个石墨烯表面作为还原Cr(Ⅵ)的活性位点,增强了还原Cr(Ⅵ)的能力,同时具有巨大比表面的rGO又可以分散纳米铁及还原产物,有效缓解还原产物包覆nZVI而造成的钝化,提高了Cr(Ⅵ)的去除速率和效率,能长期有效去除地下水中Cr(Ⅵ)污染。材料最优投加量与初始Cr(Ⅵ)浓度呈线性关系。在地下水环境pH(6~9)及硬度范围内,nZVI/rGO具有较好的Cr(Ⅵ)去除活性;NO_3~-和HCO_3~-对nZVI/rGO去除Cr(Ⅵ)起抑制作用,且HCO_3~-的抑制作用大于NO_3~-。(2)nZVI/rGO在饱和多孔介质中的迁移分布表明nZVI/rGO大部分截留在模拟柱注入端附近,其沉积量的对数与距离呈线性负相关,且具有明显的分段沉积现象。注入速度和介质粒径为nZVI/rGO应用的限制性因素。介质粒径与注入速度存在交互作用,共同影响nZVI/rGO的沉积。统计学方法获得了沉积速率系数K_(dep)和最大迁移距离L_(max)的预测模型,用以预测和评估nZVI/rGO在实际场地的适用性。(3)XG的添加显著增强了nZVI/rGO的稳定性,吸附相XG改善了nZVI/rGO的静电稳定性,自由相XG抑制了XG-nZVI/rGO的团聚和沉降。XG在nZVI/rGO表面的吸附密度是一定的。当nZVI/rGO注入浓度为0.83 g/L时,存在一个临界注入速度1.39 cm/min,当注入速度小于此值时,增加注入速度引起的团聚阻碍XG-nZVI/rGO的迁移;当注入速度大于这此值时,较大的水动力剪切导致的解团聚作用促进XG-nZVI/rGO的迁移。(4)XG-nZVI/rGO在饱和多孔介质中的沉积机制受DLVO、布朗扩散、水动力剪切及拦截作用共同控制。粒径大于V_2的XG-nZVI/rGO,拦截作用使颗粒截留在多孔介质中;粒径小于V_1的XG-nZVI/rGO,其所受布朗动能小于二次能量极小时,则沉积在介质上;粒径在V_1和V_2之间的XG-nZVI/rGO,其所受水动力剪切扭矩小于粘附力矩时,则沉积在介质上。本文建立了计算K_(dep)的先验模型,并且通过一维模拟柱实验验证了其适用性,有效地预测了多分散性胶体颗粒在含水层中的沉积行为。(5)XG-nZVI/rGO浆液单井注入Cr(Ⅵ)污染含水层后,在注入井附近及下游形成稳定反应带覆盖区,实现对Cr(Ⅵ)污染地下水的有效去除并持续一段时间。XG-nZVI/rGO浆液注入后,注入井及下游的DO和ORP迅速下降,创造有利Cr(Ⅵ)去除的还原环境。并且不会显著改变水环境条件,如pH、Fe~(2+)等,具有环境友好性。此外,含水层中NO_3~-作为竞争电子受体而消耗部分XG-nZVI/rGO,损失部分活性。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X523
【部分图文】：

示意图,技术工程,原位反应,纳米铁

需定时取样对地下水污染物浓度进行监测；（3）环境扰动小、修复效果好，修复范围不受污染羽深度限制，对于深层地下水污染，可以通过设置集群注入井使反应带到达更深的位置。图1.1为基于纳米零价铁原位反应带技术的工程示意图（在Tratneyk 和 Johnson[20]工作基础上重新绘制）。图 1.1 纳米铁的原位反应带技术工程示意图Fig. 1.1 Engineering schematic of nZVI-based in situ reaction zone反应带能否成功构建主要取决于两点：一是注入的 nZVI 基纳米材料对污染物的处理能力，无论是对污染物质截留、永久固定还是彻底降解，都需要具有高效、持续的特性[21]；二是 nZVI 基纳米材料应具有卓越的稳定性和迁移性，注入后才能形成一定影响范围的反应带[22]。因此，理想的铁基修复试剂要同时具有高反应活性、持久性、稳定性以及迁移性好等优点。

空间网状结构,纳米铁,表面改性,基材

第 1 章绪论烯层间电子转移效率较低，过量的石墨烯投加会抑制 C石墨烯与 nZVI 的负载比例对于提高其还原效率至关重基修复材料在地下环境中的稳定性及迁移性强化铁基修复材料的稳定性强化米颗粒的团聚是热力学自发的过程[22,50]。粒子间的作用互作用和电偶极相互作用，颗粒团聚使颗粒无法在介表面积，从而降低颗粒的反应活性[51]。因此，稳定 nZV间的相互作用和粒子生长[22]。近十几年来，人们研究散性和稳定性的影响。一般情况下，可以通过表面修饰结构来稳定纳米颗粒[52,53]，如图 1.3 所示。

结构图,黄原胶,结构图,修复材料

图 1.4 黄原胶的结构图Fig. 1.4 Primary structure of xanthan gum稳定剂通过以下途径增加纳米颗粒的分散：（a）附到金属表面，形成双电层，产生库伦斥力）；（定剂分子层重叠时，会产生渗透性斥力，阻碍（静电和空间作用的结合）；（d）空间网状结构稳纳米铁基修复材料的迁移性强化特征中，稳定的 nZVI 基修复材料必须具有足够的迁迁移至目标污染含水层。同时，稳定剂和纳米颗nZVI 向多孔介质中注入时，迁移性较差；而采用nZVI 显著改善了其迁移性能。文献报道了大量关

【相似文献】