多孔材料负载纳米零价铁的改性及去除水中六价铬的研究

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随着现代化工业的发展,由于工厂废水未得到有效控制,Cr(Ⅵ)废水的排放对地表水、地下水和土壤造成了严重污染。同时,Cr(Ⅵ)能通过生物链积累、急性或短期接触,对人体皮肤、耳朵、鼻子、呼吸道和胃肠道造成严重危害。因此,解决Cr(Ⅵ)废水污染问题成为了水处理领域的一个焦点。目前,纳米零价铁(nZVI)因具有高还原性、高比表面积、良好的传输和迁移能力,可用于原位修复Cr(Ⅵ)废水。nZVI能吸附Cr(Ⅵ)并将其还原为Cr(III),然后沉淀Cr(III)离子以降低Cr(Ⅵ)的毒性和流动性。但是,nZVI存在易团聚和易氧化的特性限制了它的实际应用。为此,本研究针对nZVI易团聚和易氧化的特点,对nZVI进行改性以提高其分散性和稳定性,为去除Cr(Ⅵ)废水提供理论基础。本课题通过合成生物炭负载铁镍双金属(BC@nZVI/Ni)、树脂负载硫化纳米零价铁(D201@S-nZVI)和树脂负载羧甲基纤维素稳定的纳米零价铁(CMC-D201@nZVI)三种nZVI基复合材料,用于去除Cr(Ⅵ)模拟废水,探究其Cr(Ⅵ)去除性能,并考察吸附剂的吸附机理和吸附行为。具体研究内容及结果如下:(1)通过液相还原法制备了BC@nZVI/Ni复合材料,并用于去除Cr(Ⅵ)模拟废水。BC@nZVI/Ni在较宽的p H范围(2.11-9.22)内具有良好的去除效果。在p H≤3.08时,20 mg·L-1 Cr(Ⅵ)的去除效率达到100%。在298 K时其最大吸附容量为55.52 mg·g-1。BC@nZVI/Ni优异的去除性能主要归功于BC丰富的表面官能团及其对nZVI的分散作用,以及Ni(0)对Fe(II)的还原作用。吸附过程与Freundlich模型和准二级动力学模型非常吻合,是一个自发的吸热过程。BC@nZVI/Ni去除Cr(Ⅵ)的主要机理是静电吸引、配体交换、表面络合、还原和共沉淀。(2)通过液相还原法制备了D201@S-nZVI复合材料,并用于去除Cr(Ⅵ)模拟废水。与nZVI、S-nZVI、D201和D201@nZVI相比,D201@S-nZVI获得了更高的Cr(Ⅵ)去除效率。100 mg·L-1 Cr(Ⅵ)溶液的去除率和最大吸附量分别达到89.67%和137.35 mg·g-1。D201@S-nZVI具有优异的去除性能、再生性能和使用寿命。这是因为硫化物改性的nZVI形成了以nZVI为核、Fe Sx为壳的多组分纳米粒子,Fe Sx层防止了铁的浸出,增加了nZVI粒子的表面粗糙度,减弱了nZVI粒子之间的磁吸引力,具有优异的电子传输和给电子能力;此外,D201的官能团可以静电吸引Cr(Ⅵ),其独特的骨架结构很好地分散了S-nZVI纳米粒子。吸附过程由化学吸附控制,是自发、放热的单层吸附。(3)通过液相还原法制备了CMC-D201@nZVI复合材料,并用于去除Cr(Ⅵ)模拟废水。CMC-nZVI以nZVI为核、CMC为壳负载于D201表面。CMC-D201@nZVI具有优异的稳定性、寿命和再生性能。这是因为D201特殊的骨架结构削弱了nZVI的团聚作用,其表面带正电的季胺基团可以静电吸附Cr(Ⅵ);nZVI通过双齿桥联与CMC结合增强了其稳定性;CMC层也可以通过静电排斥和空间位阻进一步改善nZVI的分布和迁移率,同时可以络合反应体系中的产物(Fe(III)、Cr(III)、CrxFe1-xOOH或CrxFe1-x(OH)3)以促进吸附过程。在p H 4.90、吸附量50 mg、温度298 K、摇床转速150 rpm的条件下,0.05 CMC-D201@nZVI的最大吸附量为169.24 mg·g-1。其吸附行为是自发的单层化学吸附。(4)本文研究了BC@nZVI/Ni、D201@S-nZVI和CMC-D201@nZVI三种不同的nZVI基复合材料对Cr(Ⅵ)的去除性能,其最大吸附容量分别为55.52、137.35和169 mg·g-1,其中CMC-D201@nZVI最大吸附容量高于大多数nZVI基复合材料。
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