生物炭负载纳米零价铁对地下水硝酸盐氮去除及氮气选择性转化性能研究

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地下水在社会发展和人类生活中扮演着十分重要的角色,但地下水硝酸盐氮的污染程度、污染范围、对人类和自然生态造成的危害却日益加重。寻找经济、环保、高效的材料去除地下水中硝酸盐氮具有重要意义。纳米零价铁是一种常用的地下水修复材料,但存在工作pH范围窄等问题。本文用生物炭做载体制备纳米零价铁/生物炭复合材料应用于硝酸盐氮去除。本文通过实验探究了纳米零价铁/生物炭复合材料对硝酸盐氮的去除能力以及将硝酸盐氮还原转化为氮气的可行性,得出以下主要结论:(1)纳米零价铁/生物炭的负载质量比对复合材料性能有较大影响,1:2是最佳的纳米零价铁/生物炭负载比例,可以达到96.2%的硝酸盐氮去除率和61%的氮气转化率;复合材料在2-12的pH范围内都可以有效地去除硝酸盐氮(75.0-97.0%),但只有在pH 5左右才能达到最高的氮气转化率;Cl-、SO42-、PO43-和硬度对硝酸盐氮的去除和氮气转化率都有抑制作用,其中PO43-抑制作用最显著;复合材料处理实际地下水样品时,硝酸盐氮去除效率(78.2%)和氮气转化效率(46.03%)都低于实验室实验,但仍高于纳米零价铁和生物炭。(2)600℃生物炭合成的纳米零价铁/生物炭复合材料的性能优于其他热解温度生物炭;用甘蔗渣生物炭制备的复合材料性能优于小麦秸秆生物炭,综上,纳米零价铁/600℃甘蔗渣生物炭(质量比1:2),达到最高的硝酸盐氮去除率(98.77%)和最高氮气转化率(72.82%),是十分理想的硝酸盐氮去除材料。(3)经HCl和甲酸预处理的生物炭对复合材料去除硝酸盐氮影响不大,但对氮气转化率有负面影响;NaOH预处理的生物炭对复合材料去除硝酸盐氮和氮气转化率都有抑制作用;纳米零价铁/生物炭复合材料去除硝酸盐氮符合一级动力学,反应速率常数为0.36(mg L)1-n/min。
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