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环境内分泌干扰物双酚A和重金属砷、铬是目前常见的环境污染物,对自然环境和人类身体健康都有着极大的危害。双酚A作为一种典型的内分泌干扰物质,广泛存在于地表水、工业废水中,一旦经食品、饮用水进入人体会造成体内激素平衡失调、不孕不育、神经系统紊乱等危害。重金属砷、铬具有很强的致畸性、致癌性、致突变性,进入环境后会存留、积累并可能迁移至人体,对人类健康危害极大。本文,合成了mZn-Cu双金属微米颗粒材料并使用该材料分别对污染物双酚A、砷、铬进行去除。同时探究了各方面的影响因素及其反应机理。
本论文主要分为三部分:
第一部分:使用硫酸铜和活化后的零价锌粉,利用化学置换法合成了mZn-Cu微米颗粒,并在不同的条件下进行了批次试验分别探究了在不同种类金属材料、初始双酚A溶液浓度、mZn-Cu微米颗粒用量和溶液初始pH值等条件下,mZn-Cu微米颗粒对双酚A的去除效果。结果发现,与零价铜粉和零价锌粉相比,mZn-Cu微米颗粒对双酚A去除效果要好的多,原因是零价锌可以提高表面上零价铜的活性使其与溶液中的溶解氧相互作用,产生具有强氧化性的羟基自由基。在mZn-Cu微米颗粒用量为0.5g/L、双酚A初始浓度为10mg/L、pH值为3、温度为25℃的条件下,双酚A去除率高达98%。对双酚A的去除进行动力学模型拟合发现,反应时间10min内,不同用量mZn-Cu微米颗粒对双酚A的去除符合准一级动力学模型。我们使用自由基抑制试验和电子顺磁共振技术(EPR)证实了反应过程中的确产生了羟基自由基,并利用总有机碳反应仪(TOC)、液相色谱-质谱联用技术(LC-MS)对mZn-Cu双金属微米颗粒降解双酚A可能的降解产物、途径进行了分析。
第二部分:研究了mZn-Cu微米颗粒对As(Ⅲ)的去除效果,同时探究了不同种类金属材料、mZn-Cu微米颗粒用量、溶液初始pH值对As(Ⅲ)去除率的影响。结果表明,各因素对As(Ⅲ)去除的影响与第一部分所得结果相似。在mZn-Cu微米颗粒用量为0.4g/L、As(Ⅲ)初始浓度为40mg/L、pH值为2.5、温度为25℃的条件下反应90min,As(Ⅲ)便几乎完全被去除,去除率达95%左右,且遵循准一级动力学模型。此外,研究发现当初始pH提高至3时,mZn-Cu微米颗粒对As(Ⅲ)的去除率降低至37%,其原因是As(Ⅲ)的去除主要包括两个过程:As(Ⅲ)的氧化和As(Ⅴ)的共沉淀,pH的升高会导致体系中氧化活性基团的减少,导致As(Ⅲ)的氧化效率降低,抑制了mZn-Cu微米颗粒对As(Ⅲ)的去除效果。最后,通过对反应前后mZn-Cu微米颗粒的傅里叶红外谱图(IR)分析发现反应后材料表面发生氧化,且生成了砷酸锌沉淀,验证了mZn-Cu微米颗粒去除As(Ⅲ)的反应机理。
第三部分:研究了mZn-Cu微米颗粒对Cr(Ⅵ)的去除效果,在mZn-Cu微米颗粒用量为0.2g/L、Cr(Ⅵ)初始浓度20mg/L、初始溶液pH值为2.5的条件下在转速为500rpm磁力搅拌器上反应120s对Cr(Ⅵ)进行快速去除,Cr(Ⅵ)的去除率达93%,继续增加mZn-Cu微米颗粒用量,可继续提高其去除率至99%。通过拟合动力学,确定了Cr(Ⅵ)的还原去除符合准一级动力学规律。本部分还探究了溶液初始pH对Cr(Ⅵ)去除的影响,结果发现当pH值增加至3时,Cr(Ⅵ)的去除率大大减小,这说明强酸条件下更有利于mZn-Cu对Cr(Ⅵ)的还原去除。最后,使用火焰原子吸收仪对反应过程中的总铬的量进行测定,结果发现随着Cr(Ⅵ)的不断降低,溶液中总铬的量并没有发生较大变化,这说明mZn-Cu微米颗粒对Cr(Ⅵ)的去除过程以还原为主,没有吸附和共沉淀现象。
本论文主要分为三部分:
第一部分:使用硫酸铜和活化后的零价锌粉,利用化学置换法合成了mZn-Cu微米颗粒,并在不同的条件下进行了批次试验分别探究了在不同种类金属材料、初始双酚A溶液浓度、mZn-Cu微米颗粒用量和溶液初始pH值等条件下,mZn-Cu微米颗粒对双酚A的去除效果。结果发现,与零价铜粉和零价锌粉相比,mZn-Cu微米颗粒对双酚A去除效果要好的多,原因是零价锌可以提高表面上零价铜的活性使其与溶液中的溶解氧相互作用,产生具有强氧化性的羟基自由基。在mZn-Cu微米颗粒用量为0.5g/L、双酚A初始浓度为10mg/L、pH值为3、温度为25℃的条件下,双酚A去除率高达98%。对双酚A的去除进行动力学模型拟合发现,反应时间10min内,不同用量mZn-Cu微米颗粒对双酚A的去除符合准一级动力学模型。我们使用自由基抑制试验和电子顺磁共振技术(EPR)证实了反应过程中的确产生了羟基自由基,并利用总有机碳反应仪(TOC)、液相色谱-质谱联用技术(LC-MS)对mZn-Cu双金属微米颗粒降解双酚A可能的降解产物、途径进行了分析。
第二部分:研究了mZn-Cu微米颗粒对As(Ⅲ)的去除效果,同时探究了不同种类金属材料、mZn-Cu微米颗粒用量、溶液初始pH值对As(Ⅲ)去除率的影响。结果表明,各因素对As(Ⅲ)去除的影响与第一部分所得结果相似。在mZn-Cu微米颗粒用量为0.4g/L、As(Ⅲ)初始浓度为40mg/L、pH值为2.5、温度为25℃的条件下反应90min,As(Ⅲ)便几乎完全被去除,去除率达95%左右,且遵循准一级动力学模型。此外,研究发现当初始pH提高至3时,mZn-Cu微米颗粒对As(Ⅲ)的去除率降低至37%,其原因是As(Ⅲ)的去除主要包括两个过程:As(Ⅲ)的氧化和As(Ⅴ)的共沉淀,pH的升高会导致体系中氧化活性基团的减少,导致As(Ⅲ)的氧化效率降低,抑制了mZn-Cu微米颗粒对As(Ⅲ)的去除效果。最后,通过对反应前后mZn-Cu微米颗粒的傅里叶红外谱图(IR)分析发现反应后材料表面发生氧化,且生成了砷酸锌沉淀,验证了mZn-Cu微米颗粒去除As(Ⅲ)的反应机理。
第三部分:研究了mZn-Cu微米颗粒对Cr(Ⅵ)的去除效果,在mZn-Cu微米颗粒用量为0.2g/L、Cr(Ⅵ)初始浓度20mg/L、初始溶液pH值为2.5的条件下在转速为500rpm磁力搅拌器上反应120s对Cr(Ⅵ)进行快速去除,Cr(Ⅵ)的去除率达93%,继续增加mZn-Cu微米颗粒用量,可继续提高其去除率至99%。通过拟合动力学,确定了Cr(Ⅵ)的还原去除符合准一级动力学规律。本部分还探究了溶液初始pH对Cr(Ⅵ)去除的影响,结果发现当pH值增加至3时,Cr(Ⅵ)的去除率大大减小,这说明强酸条件下更有利于mZn-Cu对Cr(Ⅵ)的还原去除。最后,使用火焰原子吸收仪对反应过程中的总铬的量进行测定,结果发现随着Cr(Ⅵ)的不断降低,溶液中总铬的量并没有发生较大变化,这说明mZn-Cu微米颗粒对Cr(Ⅵ)的去除过程以还原为主,没有吸附和共沉淀现象。