【摘要】：零價鐵還原技術(shù)在環(huán)境污染修復(fù)領(lǐng)域有很大的潛力。納米零價鐵(Nano-sized zero valent iron,NZVI)具有粒徑小、比表面積大、反應(yīng)活性高的特點,在環(huán)境修復(fù)中受到廣泛關(guān)注。但NZVI的兩大缺陷限制了其在實際中的應(yīng)用:一是NZVI易團(tuán)聚,大部分電子難以被利用,電子利用效率低;二是NZVI易被氧化,容易與非目標(biāo)污染物如水、氧氣發(fā)生副反應(yīng),造成電子的浪費。將NZVI負(fù)載在載體上能有效改善這兩大問題。目前廣泛研究的NZVI載體主要是粉末載體,但回收困難。本論文選用3-5 mm三氧化二鋁(Al2O3)球作為載體負(fù)載NZVI,增強(qiáng)其在空氣和水中的穩(wěn)定性,保持其活性。采用浸漬-液相還原法合成出一種穩(wěn)定性強(qiáng)的Al2O3負(fù)載的NZVI(Fe@Al2O3)材料,并用X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、比表面分析等手段對材料的形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。進(jìn)一步將Fe@Al2O3應(yīng)用于六價鉻(Cr(Ⅵ))和硝基苯(Nitrobenzene,NB)的去除。在去除Cr(Ⅵ)的研究中,具體考察了 Fe@Al2O3還原Cr(Ⅵ)的電子效率及反應(yīng)物濃度和反應(yīng)條件等因素對其電子效率的影響;在去除NB的研究中,具體分析了Fe@Al2O3去除NB的活性及反應(yīng)物濃度和投加量對其活性的影響,并通過GC-MS檢測了硝基苯降解中間產(chǎn)物,分析了硝基苯的降解機(jī)理。主要的研究結(jié)果如下:(1)Fe@Al2O3中NZVI顆粒粒徑為80 nm-100 nm,均勻分散在Al2O3載體內(nèi)。將未負(fù)載的NZVI和Fe@Al2O3放在水溶液中,曝空氣5天后(通氣量50 mL/min),結(jié)果顯示,Fe@Al2O3被氧化13.82%,未負(fù)載的NZVI被氧化42.12%,Fe@Al2O3的穩(wěn)定性歸因于Al2O3載體將NZVI顆粒包裹在內(nèi),避免了 NZVI顆粒直接暴露空氣中,有效減少了 NZVI與氧氣和水發(fā)生反應(yīng)。(2)Fe@Al2O3還原六價鉻Cr(Ⅵ)的研究�？疾炝� Fe@Al2O3還原Cr(Ⅵ)的活性,分析了 Fe@Al2O3還原Cr(Ⅵ)的電子效率及其影響因素。結(jié)果表明,在 Fe@Al2O3 投加量為 0.25 g/L,pH 6.8,Cr(Ⅵ)濃度為 5 mg/L 條件下,Fe@Al2O3還原去除Cr(Ⅵ)的總量為0.27 mg,未負(fù)載的NZVI還原去除Cr(Ⅵ)的總量為0.21 mg,對應(yīng)的電子效率分別為4.20%和6.40%�？梢钥闯�,Fe@Al2O3還原Cr(Ⅵ)電子效率是未負(fù)載的NZVI的1.52倍,電子效率顯著提高。當(dāng)Cr(Ⅵ)初始濃度為 0.5mg/L、2.0mg/L、5.0mg/L 時,Fe@Al2O3 還原 Cr(Ⅵ)的電子效率分別為1.37%、3.90%、6.40%。Cr(Ⅵ)初始濃度越高,Fe@Al2O3還原Cr(Ⅵ)的電子效率越高歸因于Cr(Ⅵ)初始濃度越高,與NZVI的接觸機(jī)會更多,電子效率更高。Cr(Ⅵ)初始濃度為5.0 mg/L,通N2條件下,Fe@Al2O3還原Cr(Ⅵ)的電子效率是14.25%,是不通N2條件下(6.40%)的2.22倍。Fe@Al2O3在通N2條件下還原Cr(Ⅵ)的電子效率更高歸因于水溶液中溶解氧濃度越低,Fe@Al2O3與水中溶解氧發(fā)生副反應(yīng)越少,Fe@Al2O3與Cr(Ⅵ)發(fā)生反應(yīng)越多,電子效率越高。因此,Fe@Al2O用于修復(fù)低氧且Cr(Ⅵ)濃度較高的環(huán)境,電子利用率更高,更經(jīng)濟(jì)。(4)Fe@Al2O3降解硝基苯的研究�？疾炝� Fe@Al2O3降解硝基苯的活性,結(jié)果表明,NZVI投加量1.0g/L,硝基苯初始濃度23.5mg/L時,反應(yīng)24h后,未負(fù)載的NZVI對硝基苯的去除率達(dá)100%,Fe@Al2O3反應(yīng)52h后對硝基苯的去除率為95.39%,可以看出Fe@Al2O3與未負(fù)載的NZVI對硝基苯的去除率相當(dāng),但去除速率低于未負(fù)載的NZVI;當(dāng)NZVI投加量1.0 g/L,硝基苯初始濃度23.5 mg/L時,做循環(huán)實驗,Fe@Al2O3去除硝基苯的總量(1.8 mg)是未負(fù)載的NZVI(0.85 mg)的2.12倍,可以看出Fe@Al2O3對硝基苯的去除速率低于未負(fù)載的NZVI的,但Fe@Al2O3的去除硝基苯的總量更多,能保持更長久的活性。因此,Fe@Al2O3更適合應(yīng)用于硝基苯污染的長期治理。Fe@Al2O3與硝基苯反應(yīng)后,檢測到溶液中的終產(chǎn)物為苯胺,中間產(chǎn)物有亞硝基苯、氧化偶氮苯、偶氮苯、鄰硝基苯酚、羥基苯胺以及無機(jī)氮等物質(zhì)。Fe@Al2O3釋放電子還原硝基苯,硝基苯首先接受2e-還原為亞硝基苯,再接收2e-生成羥基苯胺,羥基苯胺繼續(xù)接受2e-生成終產(chǎn)物苯胺。同時,零價鐵(Fe0)與溶解氧(O2)發(fā)生電化學(xué)腐蝕,反應(yīng)生成Fe2+和H2O2,接著Fe2+和H2O2反應(yīng)生成羥基自由基(· OH),· OH為強(qiáng)氧化性基團(tuán),氧化硝基苯生成少量的氧化中間產(chǎn)物鄰硝基苯酚等。因此,Fe@Al2O3直接還原硝基苯以及· OH氧化降解硝基苯是該體系主要的反應(yīng)機(jī)理。綜上所述,Fe@Al2O3穩(wěn)定性強(qiáng),可用于修復(fù)低氧高濃度的含鉻廢水,且對硝基苯廢水的修復(fù)有更持久的活性,可用于硝基苯污染的長期修復(fù)。
【圖文】：

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【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X703

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2704758