零价铁复合膜还原降解水中亚硝基胺的研究

发布时间：2017-05-26 10:28

  本文关键词：零价铁复合膜还原降解水中亚硝基胺的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：由于人口膨胀、环境污染等问题日益严重,使得人们对于水质安全要求日益提高。亚硝基二甲胺(N-nitrosodimethylamine, NDMA)是水处理领域中备受关注的强致癌性新兴含氮消毒副产物。美国环保署将其单位致癌风险对应的浓度确定为0.7ng/L。传统的去除方法不能有效的去除NDMA,零价金属还原技术,因原料来源广泛且操作简便,具有重要理论意义和实际应用价值。本研究以聚丙烯腈(PAN)平板膜及PAN中空纤维膜两类膜分别作为基体,分别制备两种零价铁复合膜,用于还原降解水中的NDMA。以PAN平板膜为基材,采用阴、阳两种聚电解质交替组装的方法,在基膜材料表面制备含Fe0复合层。阴离子聚电解质β-环糊精与丙烯酸的水溶性共聚物(AA-MAH/β-CD)与铁Fe离子络合配位,将Fe0负载于复合层中。含有零价铁的复合平板膜具有比基膜更小的膜孔,铁颗粒在膜表面均价分散,粒径在几百nm范围。NDMA溶液渗透过膜的过程中,小分子NDMA被复合层中具有包合作用的β-环糊精(β-CD)吸附,同时Fe0将其还原转化。研究发现,溶液中的溶解氧和NDMA初始浓度对Fe0的还原反应影响不大；pH值对于零价铁膜还原降解NDMA的影响显著。以中空纤维PAN膜为基体材料,将贵金属钯(Pd)作催化剂修饰Fe°。PAN基膜荷电化改性后形成的大量羧基,通过羧基与Fe离子的配位实现铁在膜表面的固定。研究中,采用扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱(FTIR)、光电子能谱(XPS)分别对复合膜形貌结构、特征基团、元素种类、Fe价态进行表征分析。研究中发现,反应初期,还原反应的速度较快,NDMA去除率能够达到有Pd存在条件下,NDMA去除率显著增加；反应体系中NDMA初始浓度和pH值,以及溶解氧、反应温度和共存离子对二甲基亚硝胺去除率的有一定的影响。两种零价铁膜还原NDMA的机制为Fe0氧化释放电子,使得氢原子活化,还原NDMA为UDMH和DMA, NH4+。荷电化后的复合膜表面形成羧基,阴离子聚电解质分子链上也共聚了羧基,两种膜表面均含有大量羧基。羧基与还原NDAM过程中生成的铁离子再次络合,将溶液中的铁离子固定在PAN膜上。两种零价铁复合膜还原NDMA过程中溶液中铁释放量很少。
【关键词】：零价铁(ZVI) 聚丙烯腈PAN膜 Pd金属 β-环糊精(β-CD) 配位作用 催化还原 二甲基亚硝胺(NDMA)
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X52
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 饮用水安全性问题10
• 1.2 N-亚硝基二甲胺(NDMA)简介10-14
• 1.2.1 物化特性及毒性10-11
• 1.2.2 NDMA在水体中的存在11-12
• 1.2.3 NDMA的生成机理12-13
• 1.2.4 NDMA的去除方法13-14
• 1.3 零价铁技术的研究现状14-17
• 1.3.1 零价铁还原的研究现状15
• 1.3.2 纳米零价铁的研究现状15-16
• 1.3.3 零价铁去除亚硝基胺机理16-17
• 1.3.4 零价铁去除亚硝基胺存在的问题17
• 1.4 铁的配位以及自组装技术17-19
• 1.4.1 铁的配位与零价铁的制备17-18
• 1.4.2 自组装技术18-19
• 1.5 课题研究的目的意义及主要内容19-22
• 1.5.1 课题研究目的意义19-20
• 1.5.2 课题研究的主要内容20-22
• 第二章 β-环糊精零价铁组装膜的制备22-38
• 2.1 实验试剂与仪器设备22-23
• 2.1.1 实验试剂与材料22
• 2.1.2 实验仪器与设备22-23
• 2.2 实验方法23-25
• 2.2.1 聚电解质的制备23
• 2.2.2 聚电解质与铁配位过程研究23-24
• 2.2.3 聚电解质组装零价铁膜的制备24-25
• 2.2.4 层层自组装零价铁膜的表征25
• 2.3 结果与讨论25-36
• 2.3.1 聚电解质合成及表征25-27
• 2.3.2 聚电解质与铁的配位27-29
• 2.3.3 荷电化条件对PAN膜纯水通量的影响29-33
• 2.3.4 聚合物组装零价铁膜表征33-36
• 2.4 本章小结36-38
• 第三章 β-环糊精零价铁组装膜对NDMA还原性能研究38-54
• 3.1 引言38
• 3.2 实验试剂与仪器设备38-40
• 3.2.1 实验试剂与材料38-39
• 3.2.2 实验仪器与设备39-40
• 3.3 实验方法40-42
• 3.3.1 β-CD对NDMA包合作用研究方法40
• 3.3.2 PAN膜对NDMA作用效果40-41
• 3.3.3 (ZVI-PAN)_n复合膜还原NDMA的影响因素41-42
• 3.3.3.1 初始浓度对还原反应的影响41
• 3.3.3.2 溶解氧对NDMA还原反应的影响41
• 3.3.3.3 pH对(ZVI-PAN)_n复合膜还原NDMA的影响41
• 3.3.3.4 反应温度对(ZVI-PAN)_n膜还原NDMA的影响41
• 3.3.3.5 共存离子对还原NDMA的影响41-42
• 3.4 结果与讨论42-51
• 3.4.1 β-CD对NDMA包合作用研究42-44
• 3.4.2 PAN膜对NDMA去除影响44
• 3.4.3 初始浓度对(ZVI-PAN)_n膜还原NDMA的影响44-46
• 3.4.4 溶解氧对(ZVI-PAN)_n还原NDMA的影响46
• 3.4.5 溶液初始pH对(ZVI-PAN)_n膜还原NDMA的影响46-48
• 3.4.6 反应温度对(ZVI-PAN)_n膜还原NDMA的影响48
• 3.4.7 共存离子对(ZVI-PAN)_n膜还原NDMA的影响48-51
• 3.5 本章小结51-54
• 第四章 Pd/Fe双金属中空纤维催化膜的制备及性能研究54-70
• 4.1 引言54
• 4.2 实验试剂与仪器设备54-55
• 4.2.1 实验试剂与材料54-55
• 4.2.2 实验仪器与设备55
• 4.3 实验方法55-57
• 4.3.1 Pd/Fe双金属中空纤维催化膜的制备55-56
• 4.3.2 荷电化处理条件对负载铁量的影响56
• 4.3.3 Pd/Fe负载PAN催化膜的表征56
• 4.3.4 Pd/Fe催化膜还原NDMA56-57
• 4.4 结果与讨论57-68
• 4.4.1 荷电化处理条件对负载铁量影响57-60
• 4.4.2 扫描电子显微镜分析60-61
• 4.4.3 X-射线光电子能谱分析61-62
• 4.4.4 负载铁量调控因素62-63
• 4.4.5 Pd/Fe负载PAN膜催化降解NDMA63-66
• 4.4.6 零价铁还原NDMA的机制推测66
• 4.4.7 零价铁还原NDMA溶液中铁离子分析66-68
• 4.5 本章小结68-70
• 第五章 结论与展望70-74
• 5.1 结论70-72
• 5.2 展望72-74
• 参考文献74-80
• 发表论文和参加科研情况说明80-82
• 致谢82

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  本文关键词：零价铁复合膜还原降解水中亚硝基胺的研究，由笔耕文化传播整理发布。

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